沿空留巷巷旁充填体合理宽度的确定

张随平

【摘 要】 针对沿空留巷巷旁充填体留设宽度大、沿空留巷成本较高的现状，文章采用理论研究与数值模拟相结合的方法，确定了沿空留巷巷旁充填体最佳宽度为1.2m，同时提出1101工作面采用锚柱网预支撑巷旁充填技术，并设计了具体支护参数。研究结果表明：巷旁充填体宽度采用1.2m，配合采用锚柱网预支撑巷旁充填技术可有效控制巷道围岩的变形，保证煤炭资源安全高产高效开采。

【关键词】 沿空留巷;充填体宽度;数值模拟;围岩控制

【中图分类号】 TD353 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2022）01-0012-03

沿空留巷巷旁充填体的合理宽度可提高煤炭资源采出率，降低沿空留巷成本，一直以来是矿井开采的发展方向。闫帅等通过数值模拟与现场实践研究并确定了复用回采巷道护巷的合理煤柱宽度。王德超等对不同宽度煤柱下的深部厚煤层综放沿空掘巷进行了试验研究，并最终得出合理的煤柱宽度。张广超等以羊场湾煤矿为研究背景，得出了高强度开采综放工作面下煤柱的合理宽度。以上研究都采用数值模拟与现场试验的方法确定沿空留巷巷旁充填体合理宽度，缺少确定沿空留巷巷旁充填体合理宽度的理论研究。

本文以王庄煤矿1101工作面为工程背景，以理论研究为指导，采用数值模拟与现场实践相结合的方法，提出了锚柱网预支撑巷旁充填技术，实现了矿井的安全高效开采，同时提高了经济效益。此研究成果可为类似工程地质条件下的矿井开采提供借鉴与参考。

1工程概况

王庄煤矿现开采煤层为1号煤层，平均厚度为4.5m，平均倾角6°。煤层结构简单，赋存稳定，为全区可采煤层。煤层直接顶为厚2.8m的细砂岩，老顶为厚4.57m的粉砂岩，直接底为厚2.02m的中砂岩，老底为厚7.13m的粉泥岩。岩层柱状图如图1所示。

煤岩层物理力学参数如表1所示。

2沿空掘巷充填体合理宽度理论分析

上区段工作面的回采扰动破坏了巷道围岩的

应力平衡状态，在上区段工作面回采结束围岩应力形成新的平衡后进行沿空掘巷时，巷道围岩受掘巷扰动发生二次破坏，导致充填体形成一定范围的塑性区，而充填体的最小宽度应确保其内部存在一定宽度的弹性核区。形成沿空留巷顶板岩层结构模型如图2所示。

图2中关键岩块B、C主要沿破断线形成，其位于留巷充填体的上方。留巷期围岩的稳定性直接取决于关键岩块B、C的稳定性，巷旁充填体难以防止老顶断裂导致岩块下沉，其可以切断关键岩块C的下覆岩层。所以巷旁充填体的计算主要是取决于关键岩块B的稳定性。

多年的现场实际经验总结出沿空留巷B岩块主要发生挤压变形，其巷旁充填体的支护阻力计算公式一般用（1）式：

式中：F_H为直接顶自重;a₁为巷道宽度，m;b₁为充填体宽度，m;k₀为安全系数，一般取值1.1～1.2;σ_d为24小时龄期充填体的强度，MPa;l₁为基本顶初次垮落步距，取15m;S为工作面长度，m;l₂为B岩块断裂跨度，m;ψ为接触系数;θ为岩块B向采空区的旋转角度;α=arctan2l₂/l₁。

结合王庄煤矿1101工作面现场工程地质相关数据代入式（4），求得充填体宽度理论合理宽度为1.0～1.4m。

3不同充填体宽度下沿空留巷数值分析

3.1数值模型

为探究不同充填体宽度下沿空留巷围岩变形特征，以1101工作面的实际工程地质情况，选用MidasGTS数值模拟软件建立三维数值模型，模型尺寸为：85m宽×66m高×42m长。

在模拟过程中，锚杆索采用植入式桁架单元进行模拟，煤层以及岩层采用实心体单元，上部边界载荷按照岩层自重应力加载到模型上部，模型的下边界、左边界、右边界采用固定边界，模型计算采用摩尔-库伦准则进行计算。

3.2不同充填体宽度下巷道围岩应力分布特征

分别模拟充填体0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m、1.6m宽度下巷道顶板下沉量，并绘制成曲线，如图3、图4所示。

由图3、图4可以看出，随着充填体宽度的增加，顶板下沉量呈减小的趋势，充填体宽度在0.6m～1.0m范围内，每增加0.2m，顶板下沉量减少约10mm;充填体宽度在1.0m～1.2m，顶板下沉量减少约28mm;此后随充填体宽度的增加，顶板下沉量减少缓慢。同时可以看出充填体宽度为1.2m时顶板最大下沉量变化幅度较大，其最大值约为172mm，满足要求。从效果和成本综合考虑来看，1.2m较为合适。

4现场应用

锚柱网预支撑巷旁充填技术主要是对采空区旁围岩进行切顶卸压，向围岩深处转移巷道顶板的应力，减少顶板给充填体带来的压力。工作面巷旁预支护构件选用HT锚柱，HT锚柱沿工作面推进，尽可能地沿着矿区一侧支撑并填充隔墙的内轮廓施工。其可以及时地将巷道采空区侧顶板切断，巷道顶板压力得以释放，为后期巷旁充填体隔墙承载提供保障。

锚柱网预支撑袋注混凝土沿空留巷技术顶板采用Φ21.8mm×6300mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线锚索，间排距为1600mm×1600mm;顶板锚杆采用Φ22mm×2400mm螺纹钢锚杆，间排距为800mm×800mm;巷帮采用Φ22mm×2000mm螺纹钢锚杆，间排距均为800mm×800mm;隔墙采用C30混凝土。

为了评估1101工作面采用1.2m宽度下锚柱网预支撑巷旁充填技术后巷道变形情况，采用“十字布点法”对1101工作面内距巷口40m和80m位置进行实时监测，监测结果如图5所示。

从图5可以看出，巷道帮部的变形量略大于巷道顶板的变形量，但趋势大致相同，且变形都在合理范围内，表明1.2m宽度下锚柱网预支撑巷旁充填技术保护效果可以满足巷道围岩稳定性的要求。

5结语

文章针对王庄煤矿1101工作面充填体留设宽度大、留巷成本较高的现状，对充填体合理宽度进行了研究分析，主要得到以下结论：

基于王庄煤矿1101工作面工程地质条件，采用理论计算的方法确定了充填体合理宽约为1.0m～1.3m。

采用MidasGTS数值模拟软件，得出了不同宽度充填体下顶板变形规律，进一步确定了充填体合理宽度为1.2m。

综合考虑1101工作面实际生产地质条件，提出采用锚柱网预支撑巷旁充填技术，现场实测结果表明：巷道顶板和帮部变形量均在合理范围内，围岩控制效果较好。

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