新景矿沿空留巷充填体合理宽度研究及应用

2022-08-10冀建华

江西煤炭科技 2022年3期

冀建华

（华阳集团新景公司，山西阳泉 045000）

沿空留巷作为一种无煤柱护巷技术，可以大幅度减少井下巷道掘进工程量，并提高煤炭资源的回收率，但沿空留巷需承受2次采动影响，其围岩的稳定性较难维护[1-3]。为此，众多学者进行了深入研究，并取得了较多的成果，如郝龙等[4]综合运用数值模拟及现场实测的方法，分析了不同充填体宽度下的围岩变形演化规律，并确定出最佳充填体宽度为1.4 m；陈勇等[5]采用理论分析及数值模拟的方法，得出沿空留巷的支护方式不会影响基本顶的回转下沉；魏飞等[6]以坚硬顶板条件下沿空留巷为背景，运用理论分析及数值模拟研究得出充填体宽度，现场应用效果良好。

基于现有沿空留巷技术的研究成果，以新景煤矿3107综采工作面沿空留巷为研究背景，利用理论分析及数值模拟相结合的方法，针对中厚煤层沿空留巷充填体的合理宽度进行了深入研究，设计出合理的支护方案，并通过围岩变形监测对技术方案进行现场验证，为类似工程实践提供了参考。

1 工程概况

新景煤矿现主采3#煤层，煤层厚度为2.15～2.67 m，平均厚度2.36 m，煤层倾角2°～8°，平均倾角5°。煤层总体赋存稳定，结构简单，一般含1层夹矸。新景煤矿采面上下顺槽一直沿用25～30 m的宽煤柱护巷，大量的宽煤柱难以回收，使得煤炭资源损失严重。

为了尽量减少遗留煤柱的损失，矿方决定在3107综采工作面进行沿空留巷试验。该工作面倾向长度172 m，走向长度1 384 m，埋藏深度为496～671 m。工作面位于3#煤二采区南翼，东为3105工作面（已采），西为3109工作面（在掘），北隔采区大巷为3106工作面（未掘）。工作面具体位置如图1所示，其中，3107工作面第一辅助进风巷为沿空留巷试验巷道。工作面煤层顶底板情况如表1所示。

图1 3107综采工作面位置

表1 煤层顶底板岩性

2 巷旁充填体宽度的合理确定

2.1 数值模拟分析

（1）模型建立

根据3107工作面实际工程地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件建立了不同充填体宽度的计算模型，模拟分析不同工况下巷道围岩的变形情况。

所建模型尺寸长×宽×高=250 m×150 m×40 m；在模型上边界施加8.9 MPa的垂直均布载荷，以模拟覆岩压力，模型四周及下边界采用位移边界条件约束；模拟单元均遵循摩尔库伦破坏准则，为使得模拟结果更加精确，对模型沿空留巷区域的网格进行加密处理。其中，煤岩体物理力学参数如表2所示。

表2 煤岩体物理力学参数

（2）模型结果分析

不同充填体宽度下沿空留巷围岩的变形量如图2所示。

图2 围岩变形量与充填体宽度间的关系

由图2可知，保持巷内其他支护条件不变，充填体宽度从0.5 m增加到2.0 m时，巷道围岩整体变形量呈减小趋势，其中，顶底板移近量减小了900 mm，两帮移近量减小了800 mm。围岩变形量在充填体宽度由0.5 m增大到1.0 m时的减小幅度较大；当充填体宽度由1.0 m增大到1.2 m时，围岩变形量的减小幅度降低；充填体宽度达到1.2 m后，继续增加其宽度，对巷道围岩变形量的减小已不再明显。

由以上分析可以初步确定充填体宽度为1.2 m。

2.2 充填体强度验算

充填体采用C30混凝土柔模浇筑形成，为验证1.2 m宽度充填墙体强度能否满足需求，通过分离岩块对其进行验证[7]。计算模型如图3所示。

图3 分离岩块法计算模型

根据分离岩块法，充填体的载荷可用下式计算：

式中：q为充填体载荷，MPa；bB为充填墙体内侧至工作面主帮的距离，取4.2 m；x为充填墙体宽度，取1.2 m；bc为充填墙体采空区侧悬顶距离，取0.4 m；γ为顶板分离岩块容重，取26 kN/m3；h为工作面采高，取2.4 m；α为岩体内摩擦角，取26°；θ为煤层倾角，取5°。

由式（1）计算的充填墙体所受载荷为1.3 MPa，取回采动压系数为3，则充填墙体所承受的围岩压力为5 013 kN/m。而依据GB50010-2010《混凝土结构设计规范》可知，1.2 m宽的C30混凝土墙体承载能力为18 481 kN/m，远高于工作面回采时巷旁充填墙体所承受的载荷。因此，综合数值模拟及理论计算结果，并结合经济合理性，最终确定巷旁充填体宽度为1.2 m。

3 沿空留巷围岩控制技术

3.1 巷内支护

用于沿空留巷的巷道为3107工作面辅运顺槽，巷道为矩形断面，净高2.7 m，净宽4.5 m，沿煤层顶板掘进。巷道顶板采用φ20 mm×2 400 mm的高强度螺纹钢锚杆支护，其间排距为780 mm×850 mm，靠近两帮的锚杆与垂线夹角15°施工，其余锚杆均垂直顶板施工；顶锚索的型号为φ17.8 mm×7 200 mm，间距2 340 mm，排距850 mm，均垂直顶板施工；主、副巷帮采用φ18 mm×1 800 mm的麻花锚杆支护，间排距800 mm×850 mm。具体支护形式如图4所示。

图4 支护断面

3.2 巷旁支护

研究表明，沿空留巷巷旁支护的最佳时机为顶板给定变形结束后[8]，因此，随着3107工作面的回采推进，在滞后工作面10 m处开始施工充填墙体并进行临时支护。其中充填墙体的宽度为1.2 m，留巷宽度为4.2 m，高度为2.7 m。充填墙体材料采用C30混凝土，每2 m柔性挂模为一个充填模块进行浇筑，形成墙体。

为保证回采期间沿空留巷充填墙体的稳定性，防止其出现较大的横向变形，采用“锚栓+钢筋网+钢带”联合加强支护，墙体每排预置4个锚栓并用钢带连接，间排距为750 mm×1 000 mm。加强支护形式如图5所示。

图5 巷旁充填墙体支护结构

4 应用效果分析

4.1 巷道表面位移监测

为分析沿空留巷充填体宽度及围岩控制技术的效果，在留巷段采用十字布点法对围岩的表面位移进行监测，监测结果如图6所示。

图6 沿空留巷围岩变形量监测结果

由图6可知。沿空留巷巷道围岩的变形大致可分为三个阶段：

（1）在滞后工作面0～20 m范围为第一阶段，此时基本顶未发生破断，在巷旁充填体及单体支柱的支护下，巷道围岩的变形速度较小，最大为8 mm/d。

（2）在滞后工作面20～80 m范围为第二阶段，此时基本顶发生破断并剧烈回转下沉，导致巷道围岩的变形幅度较大。其中，顶底板最大移近量为280 mm，最大移近速度为24 mm/d；两帮最大移近量为198 mm，最大移近速度为13 mm/d。

（3）在距工作面80 m以后的范围为第三阶段，此时上覆岩层已形成稳定的铰接结构，围岩的变形逐渐趋于稳定。

综上分析可知，留巷期间巷道围岩的变形量较小，满足工作面正常生产需求。

4.2 巷道表面位移监测

在构筑混凝土充填墙体时，在墙体靠近顶、底板处各预埋一根短锚杆，并在上下两根短锚杆端部挂测绳AB，通过观测绳AB长度的变化对充填墙体的纵向变形进行分析；在充填墙体中部预埋1跟长水平钢杆CD，通过观测该钢杆的外露长度变化，分析充填墙体的横向变形。测点布置如图7所示。

图7 巷旁充填体变形测点布置

充填墙体的变形观测结果如图8所示。

图8 巷旁充填体变形监测结果

由图8可知，充填墙体在距工作面10 m范围内基本未发生明显变形；在距工作面20～60 m范围，基本顶破断并回转下沉，导致充填体变形量逐渐增大，该阶段墙体的横向变形量最大为161 mm，纵向变形量最大为103 mm；在距工作面60～90 m时，充填墙体的变形逐渐趋于稳定，当滞后工作面距离达到90 m以上时，充填墙体基本不再发生明显变形。由此可知，充填墙体的宽度及现有支护技术能够满足沿空留巷的工程要求。