柳塔矿沿空留巷顶底板移近量分析

2022-04-08高建勇朱云龙

能源与环保 2022年2期

高建勇，朱云龙

(国家能源集团神东柳塔煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017000)

柔模混凝土沿空留巷技术目前在我国广泛应用，通过在巷道靠近采空区的一侧树立柔模混凝土墙体，将上一区段的回采巷道保留下来供下一区段使用，实现区段间的无煤柱开采，减少煤炭资源损失，提高企业经济效益[1-5]。通过采用沿空留巷关键技术，柳矿22103工作面能够回收长1 985 m、宽15 m、高1.9 m的煤柱，约7.4万t煤炭资源，为企业增加经济效益约810万元。因此，柳塔矿对22103运输巷开展沿空留巷技术工程实践。

目前，国内外许多专家学者对沿空留巷的合理留巷宽度、巷旁充填宽度、及巷旁支护材料进行了大量研究[6-11]。张东升等[12-13]通过相似模拟试验探究了不同巷内支护形式对沿空留巷围岩变形特征的影响；苗凯军等[14]通过FLAC3D数值模拟模型，详细分析了在不同影响因素下沿空留巷围岩变形的控制效果；李化敏等[15]将沿空留巷顶板的运动过程划分为3个阶段，分别建立3个阶段的巷道侧向顶板破断的力学模型，分析了沿空留巷采场顶板运动及其变形特征；贺新[16]采用理论分析与数值模拟的方法，确定了伊田煤业高水充填沿空留巷旁充填体的合理宽度，并应用现场实测围岩变形对巷旁充填体的合理宽度进行验证；谭云亮等[17-18]针对坚硬顶板条件的沿空留巷工程，提出不等强度“柔—强”组合巷旁充填体，通过现场实际应用，有效减小了坚硬顶板条件下沿空留巷的围岩变形量。综上，现有对沿空留巷的研究多集中在沿空留巷巷旁充填体的合理宽度与支护强度之上[19-22]，顶底板移近量的现场实测结果往往作为验证手段，对沿空留巷相关参数的合理性进行验证。因此，本文以榆柳塔矿22103运输巷沿空留巷工程为背景，通过FLAC3D数值模拟、理论分析及现场实测的研究方法，详细分析了不同工作面超前距离条件下沿空留巷的顶底板移近量变化趋势与特征。

1 工程概况

1.1 地质概况

柳塔矿22103综采工作面推进长度约2 150 m，工作面煤厚度1.70～2.08 m，可采性指数为1，煤层平均倾角约2°，结构简单，属稳定煤层。煤层直接顶为灰黑色泥岩，厚度为0～1.5 m，基本顶为深灰色细粒砂岩，厚度为7.0～11.5 m，伪底为泥岩，厚度为0.2 m，基本底为深灰色泥岩，厚度为2.80～5.83 m，工作面地层柱状如图1所示。22103工作面运输巷采用沿空留巷技术，保留巷道作为22104工作面回风巷，进而缓解采掘接替紧张，减少巷道掘进工作量，避免区段煤柱留设导致的煤炭资源损失。22103工作面运输巷巷道宽度5 500 mm，留巷宽度4 500 mm，巷道高度2 100 mm，沿空留巷布置情况如图2所示。

图1 工作面柱状Fig.1 Working face columnar

图2 22103工作面沿空留巷布置情况示意Fig.2 Layout of gob-side entry in 22103 working face

1.2 施工工艺及材料

22103工作面运输巷的沿空留巷工艺及流程如下：干料运输→移架→留巷滞后支护(架棚、打设木点柱、单体、铺网)→支护浇筑空间→挂柔模、上锚栓→泵注混凝土→监测→留巷补强→回柱→下一循环。其中柔模泵注混凝土施工主要材料为P.O42.5硅酸盐水泥，配合砂子、石子、粉煤灰、专用外加剂与水，使得巷旁充填体具有一定的强度。柔性模板长3.0 m,宽1.0 m,高2.4 m，柔性模板配合适当的锚栓，防止柔性模板发生大范围不的水平变形而无法及时接顶或留巷失败的现象。柔性模板如图3所示。

图3 柔性模板结构Fig.3 Structure diagram of flexible formwork

2 数值模拟

2.1 模型建立

根据柳塔矿22103运输巷沿空留巷工程为背景，建立FLAC3D数值模拟模型，探究工作面不同推进距离条件下沿空留巷顶底板移近量的变化规律。

数值模型长×宽×高=250 m×300 m×80 m，模型共计48 640个网格，53 300个节点，模型底部边界固定垂直位移，模型四周固定水平位移，模型顶部施加1.5 MPa载荷以模拟未建立的地层，初始模型如图4所示，数值模型参数见表1。

图4 初始数值模型Fig.4 Initial numerical model

表1 模型参数Tab.1 Parameters of numerical model

2.2 模拟结果分析

不同超前距离下沿空留巷围岩变形云图如图5所示。

图5 巷道围岩变形云图Fig.5 Deformation of surrounding rock of roadway

进一步提取得到数值模拟结果，得到巷道顶底板移近量如图6所示。由图可知，沿空留巷顶底板移近量随着工作面超前距离的不断增加呈现先增加后趋于稳定的趋势。当工作面由超前0 m到超前150 m时，沿空留巷顶底板移近量不断增加，而当工作面由超前150 m到超前200 m时，沿空留巷顶底板移近量则维持稳定，基本不发生变化。

图6 沿空留巷顶底板移近量Fig.6 Convergence between roof and floor of gob-side entry retaining

此外，沿空留巷顶底板移近量呈现倾斜变形的特点，即巷旁支护墙体一侧的顶底板移近量明显大于煤壁一侧的顶底板移近量，如图7所示。当工作面超前50 m时，沿空留巷煤壁侧顶底板移近量约为9.93 mm，而墙体侧顶底板移近量约为15.77 mm；当工作面超前100 m时，煤壁侧顶底板移近量约为12.28 mm，而墙体侧顶底板移近量约为19.39 mm；当工作面超前150 m和200 m时，煤壁侧顶底板移近量约为12.9 mm，而墙体侧顶底板移近量约为20.4 mm。由此可知，在工作面超前50 m到200 m的过程中，沿空留巷煤壁侧顶底板移近量增加29.9%，而墙体侧顶底板移近量增加29.4%。

图7 煤壁侧及墙体侧顶底板移近量Fig.7 Convergence between roof and floor incoal wall and backfilling body

3 沿空留巷顶底板移近量阶段划分

由矿山压力与岩层控制[22]可知，沿空留巷侧向顶板的破断形式如图8所示。在工作面基本顶经历了初次来压之后，随着工作面的继续推进，基本顶会呈现“O-X”破断，由此产生弧形三角块B，弧形三角块B与巷道上方的基本顶岩块A与采空区已垮落的基本顶岩块C相互铰接，形成铰接结构，因此弧形三角块B的稳定性对沿空留巷的稳定性和变性特征起到关键作用。沿空留巷顶底板移近量阶段如图9所示。

图8 侧向顶板破断形式Fig.8 Breaking model of lateral roof

图9 沿空留巷顶底板移近量阶段Fig.9 Stage of convergence between roofand floor of gob-side entry retaining

综合考虑数值分析结果与理论分析可知，在本区段工作面的回采过程中，根据工作面侧向顶板的运动状态，可将沿空留巷的顶板下沉分为2个阶段，即采动影响阶段和留巷稳定阶段。①第Ⅰ阶段：采动影响阶段，由于本工作面的回采，采场顶板的破断、回转，活动剧烈，沿空留巷顶底板移近量显著增大，是沿空留巷最困难的阶段；②第Ⅱ阶段：留巷稳定阶段，由于工作面回采后，采场顶板运动趋于稳定，采空区侧向支承压力调整至平衡状态，沿空留巷围岩顶底板移近量往往变化不明显。

由于受到工作面开采影响，距离工作面较近的弧形三角块B发生破断、回转而达到平衡状态，因此沿空留巷顶板下沉急剧增加，而距离工作面较远的弧形三角块B则一端接触到采空区内垮落的矸石、已经达到了新的平衡状态，因此沿空留巷顶板下沉趋于稳定。

4 矿压实测

通过在22103运输巷布置巷道顶底板移近量观测站1、2，观测沿空留巷顶底板移近量与工作面超前距离之间的关系。测站1、2的观测结果如图10所示。由图可知随着工作面超前距离的不断增加，沿空留巷顶底板移近量同样呈现先增加后维持稳定的趋势，同样地，沿空留巷煤壁侧的顶底板移近量大于墙体侧的移近量，即顶底板移近量呈现煤壁侧小、采空区侧大的形式，即顶板倾斜。在距离工作面近60～70 m处，位移占总位移的80%以上。沿空留巷墙体侧顶底板移近量在60 mm左右，而煤壁侧最大顶底板移近量为30～50 mm。综上可知，柳塔矿22103运输巷沿空留巷顶底板移近量的变化趋势与数值模拟结果及理论分析具有一致性。