坚硬顶板下沿空留巷巷旁充填体合理宽度研究

2020-03-03魏飞

江西煤炭科技 2020年1期

魏飞

（山西铺龙湾煤业有限公司，山西大同 037104）

无煤柱开采技术在被推广以来往往作为最优方案进行应用，它解决了窄煤柱护巷过程中巷道维护困难、安全威胁大、维护成本高等问题；同时宽煤柱护巷过程中煤炭资源损失浪费的问题也得到了极大改善。无煤柱开采主要包括沿空留巷与沿空掘巷两种技术，而沿空留巷又因其资源回收率高，通风效果良好等优点更是被广泛接受。但在应用过程中巷旁支护系统的选择又成为一个新的课题。煤炭科技工作者就此开展了大量的科研工作，尤其是在巷旁支护体材料的选择上收获了丰硕成果。梁登勇、任智敏等[1-2]选择利用混凝土隔墙作为高强度的巷旁支护，这种支护系统支护强度高，能够最大程度地控制巷道变形，降低了巷道的维护费用。但因其成本较高，加之工序较为复杂，且早期强度低等缺点而被逐步淘汰。随着膏体充填技术的不断成熟，充填膏体巷旁支护技术成为当前沿空留巷支护系统的首选方式，专家学者也就此进行了大量工程实践及科学研究。柏建彪等[3]通过对沿空留巷充填体运用力学分析建立了充填体力学模型，得到在不同条件下巷道的支护体支护阻力及合理留设宽度。王晓虎等[4]利用关键层理论，对影响巷旁充填体稳定性的关键块进行了理论计算，并建立了力学模型，探究了充填体的合理宽度。陈勇、张东升等[5-6]综合运用理论分析、数值模拟、相似材料模拟及现场工程试验，对充填体与围岩相互作用进行了深入研究，得到了充填体力学响应机制与变形特征并对充填体的宽度进行了优化设计。谢文兵等[7]研究分析了不同宽高比条件下巷旁充填体支护系统的稳定性，提出充填体的宽高比在0.8 时能够发挥最大的支护效果。张镇[8]则通过数值模拟及现场试验对深部条件下巷旁支护体宽度进行了深入探究，认为深部条件下充填体的宽高比应不小于1。在沿空留巷充填支护体的设计方面尽管已经卓有成效，但对其宽度的计算研究较少，特别是对煤层坚硬顶板条件下，常规方法计算确定的充填支护系统难以有效维护。因此，煤层坚硬顶板条件下充填支护体宽度的合理设计研究对于矿井安全高效生产而言也就迫在眉睫。本文以山西铺龙湾煤业有限公司4102 综放工作面为工程背景，综合运用理论分析与数值模拟相结合的方法对坚硬顶板条件下充填体合理宽度优化设计进行研究，以保证矿井生产的正常进行，也能为条件相似矿井提供技术参考。

1 工程地质概况

4102 综放工作面地面标高+1376.2～+1408 m，井下标高+1120～+1140 m，平均埋深256 m，工作面走向长1195.5～1214.1 m，平均长1204.8 m，倾向长148.5 m，平均煤厚为5.38 m，倾角1°～4°，平均3°，为近水平煤层，煤层结构简单。直接顶为厚15.37 m 的中、细砂岩，普氏系数为8，老顶为厚12.28 m 的粗、中砂岩，普氏系数为7.7，属坚硬顶板，直接底为泥岩，厚1.3 m。该工作面巷道支护形式为锚杆、锚索、金属网联合支护,在工作面回采前对留巷预先进行加固。巷旁充填体材料为高强度膏体充填材料，并在充填体两侧布设钢筋进行加固处理。

2 巷旁充填体合理宽度力学计算

随工作面开采，坚硬顶板岩层状态不断发生变化，巷旁充填体支护阻力随顶板岩层状态变化不断变化，因此在进行支护体宽度设计时需充分考虑顶板应力状态，分别从支护初期及支护后期两个时段对充填体宽度进行力学计算。

（1）支护初期

在沿空留巷初期，基本顶由于下位岩体能够提供有效支撑尚未发生破断，充填支护体仅支承附近破断直接顶，见图1。此时巷旁充填体受力情况见图2，其受力计算见式（1）。

图1 支护初期充填体承载

图2 支护初期充填体力学模型

式中：Pz1为充填体支护阻力，MPa；χ0为实体煤支撑段，一般取巷道宽度4 倍，m；c 为巷道宽度，m；m 为煤层厚度，m；n 为采高倍数；γ0为直接顶岩石容重；α1为充填体宽度，m。

因此，在留巷初期为充填体能够稳定发挥支护效果，充填体的受力应满足式（2）

式中：σ1为充填体初期强度。

由式（2）可得留巷初期巷旁充填体宽度应满足式（3）所示条件。

（2）支护后期

当控顶范围达到一定程度，基本顶发生破断，此时充填体外侧支撑阻力增大，此时充填体承载见图3，受力简图见图4。此时支护阻力可用式（4）进行求解。

图3 支护后期充填体承载

图4 支护后期充填体力学模型

式中：Pq为切顶阻力，MPa；h 为直接顶厚度，m；Nc为空区侧剪应力，MPa；t0为回转时间，h；δy 为煤体支护阻力，MPa；Tc 为沿岩层方向的推力，kN；ΔSB为基本顶跨落前悬臂梁前端下沉量，m；q0为直接顶单位长度自重；a2为充填体宽度，m。

因此，在支护后期的充填体受力应满足式（5）。

式中：σ2为充填体最终强度。由式（5）可得留巷初期巷旁充填体宽度应满足式（6）条件。

将工作面与充填体相关参量带入到式（3）、（6）对支护体宽度进行计算，计算求得4102 综放工作面巷旁充填体宽度范围为1.8～4.15 m。

3 巷旁充填体合理宽度确定

通过力学计算初步得到了充填体的合理宽度范围，为进一步确定巷旁充填体的合理宽度，运用FLAC3D模拟软件对不同充填体宽度条件下的应力分布特征及变形情况进行深入研究分析，以期确定充填体的最优宽度。

3.1 数值模型的建立

基于FLAC3D建模原理，根据所选区域采矿地质条件，建立如图5所示的数值模型，模型几何尺寸为400 m（长）×1300 m（宽）×300 m（高），模拟地层主要参数为：煤层厚5.38 m，埋深256 m。根据计算分析的需要，同时考虑计算效率，对岩层厚度及性质进行了适当的简化：选取的岩层倾角较小，因此在进行建模分析时，岩层按照水平布置；在网格进行划分时采取了非均匀划分，在煤层及其顶底板附近网格划分较为密集，远离煤层的岩层网格划分较为稀疏。模型建立后，模型顶部为自由面，在水平方向的四个边界施加水平方向的位移约束，并限制底部垂直方向位移。充填体宽度根据力学计算结果分别取2 m、3 m、4 m。

图5 数值模型

本次数值模拟采用模型为库伦—摩尔模型。模拟过程中模型各层位岩石的力学参数来自现场试样进行室内力学试验后获得的参数，主要包括密度、体积模量、剪切模量、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度等，具体取值见表1。

表1 各岩层岩性参数

3.2 巷旁充填体合理宽度的确定

（1）不同宽度条件下充填体变形情况

图6为不同宽度条件下支护体变形情况。可以看出，当充填体宽度为2 m 时变形最大，3 m 时次之，4 m 时最小。并通过对充填体水平及垂直位移云图见图7、图8，发现充填体宽度为2 m、3 m、4 m 时，其最大水平位移分别为1.20 m、0.67 m、0.26 m，垂直位移为分别为1.34 m、0.73 m、0.19 m，由此可知，随宽度的增加充填体支承能力提高，水平、垂直变形逐渐减小，在合理宽度范围内4 m的支护体宽度对于巷道维护最有利。

图6 不同宽度条件下支护体变形情况

图7 不同宽度条件下支护体x 向水平位移云图

图8 不同宽度条件下支护体垂直位移云图

（2）不同宽度条件下充填体应力分布特征

通过提取充填体不同时段的垂直应力曲线，见图9，发现宽度为2 m 时在支护初期充填体垂直应力为1.5 MPa，随时间推移，垂直应力出现先升高后下降的现象，当最终垂直应力稳定在1.0 MPa时，基本不再发生变化；宽度为3 m、4 m 的曲线与其相类似，但在承载过程中出现了两次升高，最终垂直应力分布稳定在2.75 MPa、3.14 MPa。由此可知在支护初期充填体能够较好地发挥支护能力，支护效果良好，当基本顶发生断裂后，支护体承担的重量增加，其垂直应力增加。由于支护体本身强度并不高，随支护阻力增加，支护体被压缩承载能力下降，但随着上覆岩层触矸其支护阻力不再发生变化，且支护体宽度越大，承载能力越强，因此，在合理宽度范围内，选择4 m 支护体宽度能够发挥最佳的承载能力。