综采工作面沿空留巷巷旁充填体合理宽度研究

曹王建

【摘 要】 为确定沿空留巷巷旁充填体的合理宽度，本文以山西某矿N2105工作面地质条件为基础，对沿空留巷巷旁充填体承载机理进行了分析，确定充填体采用水灰比为1.5∶1的高水材料。通过数值模拟的方法，对5种充填体宽度下围岩应力与变形情况进行了分析，最终确定N2105工作面沿空留巷充填体宽度为1.5m。

【关键词】 综采工作面;沿空留巷;充填体;合理宽度

【中图分类号】 TD353 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）04-0006-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着煤炭资源的逐渐减少，许多矿井均面临着煤炭资源枯竭的问题，为延续矿井生命，提高煤炭资源的回收率，沿空留巷开采技术开始在许多矿井进行普及。沿空留巷开采技术具有着明显的优点，其可以减少煤矿巷道掘进工程量，解决工作面采掘接替紧张，实现Y型通风，并且有效提高矿井资源回收率。目前沿空留巷多采用充填材料作为巷旁支护体，但由于矿井煤层周围条件的差异性，充填体的宽度选择有很大区别。为确定合理的充填体宽度，本文以山西某矿大采高综采工作面沿空留巷条件为基础，采用数值模拟与现场实测的方法对充填体的合理宽度进行了研究，研究结果可为相似条件工作面提供一定的借鉴。

1工程背景

山西某矿N2105开采煤层为3号煤，煤层厚度平均为6.3m，煤层倾角较小，平均为1.5°，煤层埋深在550～600m范围内。为提高工作面煤炭资源的回收率，N2105工作面采用沿空留巷开采技术，N2105工作面轨道巷为工作面所留巷道，巷道宽度为4.5m，采用充填体作为巷旁支护体。工作面巷道分布情况如图1所示。

2巷旁支护体作用机理分析

工作面在推进过程中，巷旁支护体在其后侧逐段地进行布置，因此巷旁支护体对巷道采空区一侧的顶板有着重要的支撑作用。其作用机理主要为：

（1）在充填体留设初期，由于其具有着较高的支撑能力，一方面充填体可维持巷道内顶板的稳定，对顶板岩层进行支撑，另一方面充填体对顶板的作用力可切断采空区顶板与巷道顶板之间的联系，起到一定的切顶作用。

（2）在沿空留巷中期，顶板下沉会产生较大的载荷，由于充填体具有一定的塑性能力，充填体在出现塑性变形后，可将顶板对充填体的载荷转移至采空区内冒落的矸石上，从而减轻顶板载荷对巷道内支护体的破坏作用。

为实现上述两种作用效果，充填体必须有着较高的强度，基于此情况，结合N2105工作面巷道的条件，本次巷旁充填体选择高水充填材料，充填时水与材料的比例设计为1.5∶1。高水材料相比较于过去使用的水泥，其有着较多的优点。高水材料充填体在初期具有着较快的凝固速度，其强度可通过配比进行调节，此外高水材料充填体有着较好的塑性变形能力，即使在出现较大的塑性变形后，充填体的残余强度依旧较高，因此高水材料充填体能够满足N2105工作面沿空留巷的要求。

3巷旁充填体合理宽度数值模拟

3.1模型建立

为确定合理的充填体宽度，本节以N2105工作面及周围巷道的地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件进行模拟，分析巷旁充填体在不同宽度下的应力与变形情况。

根据N2105工作面地质条件，进行数值模拟的模型煤层底板厚度为33m，煤层厚6.3m，顶板厚度50m，因此模型高度为89.3m。N2105工作面的长度取一半为80m，在工作面旁为充填体，充填体宽度共设计5个方案，分别为1.0m、1.2m、1.5m、1.8m、2.0m，在充填体旁为轨道巷，巷道的宽度为5m，高度为3.2m，沿煤层底板掘进，巷道另一侧边界取为80m，可得模型的长度分别为161.0m、161.2m、161.5m、161.8m、162m，工作面的推进长度设为100m，因此模型厚度为100m，数值模型如图3所示。模型的底面与四周均设为固定边界，顶面设为应力边界。

数值模型建立完毕后，首先开挖工作面轨道巷，然后再开挖工作面，工作面每次推进距离为5m，在工作面推进后加入充填体，充填体滞后工作面5m。

3.2模拟结果分析

（1）充填体承载应力分析

图3为5种不同充填体宽度下巷道周围岩体的应力分布图。随着充填体宽度的增加，充填体承受的应力峰值在不断地增大，但增大幅度随着充填体宽度的增大在逐渐减小。当充填体宽度为1.2m时，应力峰值是1.0m的1.84倍;充填体宽度为1.5m时，应力峰值是1.2m的1.51倍;充填体宽度为1.8m时，应力峰值是1.5m的1.10倍;充填体宽度为2.0m时，应力峰值是1.8m的1.06倍。从上述充填体承载应力情况说可以看出，1.5m的充填体宽度是其承载应力的过渡值，因此采用1.5m的充填体宽度一方面可为顶板提供足够的支撑力，一方面可节省一定的经济成本。

（2）充填体变形量分析

图4为工作面推进过程中，巷道顶底板与两帮在不同充填体宽度下的变形情况。从图中可以看出，不同充填体宽度下，巷道围岩变形的差异主要表现在顶板以及充填体两方面，其中顶板下沉量随着充填体宽度的增大逐渐减小，但当充填体的宽度大于1.5m后，变形逐渐稳定;充填体的变形量同样在宽度大于1.5m后开始稳定。该结果表明，当充填体的宽度大于1.5m，其对巷道围岩的控制效果逐渐趋于一致，因此充填体宽度为1.5m时较为合适。

综合上述数值模拟中充填体在不同宽度下承受应力以及围岩变形情况，1.5m的充填体既可以提供较高的支撑力，又能够减少巷道围岩的变形，因此最终确定N2105工作面沿空留巷充填体宽度为1.5m。

4结论

本文以山西某矿N2105工作面沿空留巷地质条件为基础，采用理论分析与数值模拟的方法，对巷旁充填体对顶板的作用机理以及合理宽度進行了研究，确定工作面沿空留巷巷旁充填体采用水灰比为1.5∶1的高水材料，材料与水比例为1∶1.5。通过对比5种充填体宽度下巷道围岩应力与变形情况，得到当充填体宽度为1.5m时，其既可以提供较高的支撑力，又能够减少巷道围岩的变形，因此最终确定N2105工作面沿空留巷充填体宽度为1.5m。

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