李保順，龍 軍，李幸宇

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司二礦，河南平頂山467000;2.四川煤田地質(zhì)研究院，四川成都611331)

沿空留巷巷旁支護體穩(wěn)定性及圍巖控制技術(shù)

李保順1，龍 軍2，李幸宇1

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司二礦，河南平頂山467000;2.四川煤田地質(zhì)研究院，四川成都611331)

Stability and Control Technology of Roadway-side Supporting Body in Retaining Roadway along Gob

沿空留巷巷旁支護體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)系著整個沿空巷道支護體系的系統(tǒng)可靠性。在分析平頂山天安煤業(yè)股份有限公司二礦 (以下簡稱平煤股份二礦)生產(chǎn)地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬的方法研究了高水速凝材料構(gòu)筑巷旁支護體在不同水灰比和寬度條件下的變形特征及應(yīng)力分布規(guī)律，分析了在經(jīng)濟合理的條件下充填體力學(xué)性能對支護體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有顯著影響，支護體寬度存在一個合理的取值范圍?，F(xiàn)場工業(yè)性試驗表明選取的力學(xué)參數(shù)合理，巷旁支護體變形量較小，實現(xiàn)了沿空留巷的圍巖穩(wěn)定。

沿空留巷;巷旁支護;圍巖控制;數(shù)值模擬

沿空留巷是在工作面回采過程中，通過有效的巷旁支護和巷內(nèi)支護技術(shù)，將本工作面的回采巷道保留下來，作為鄰近工作面的一條回采巷道使用。巷旁支護作為沿空留巷的一個關(guān)鍵組成部分，客觀要求其具有足夠的支護阻力、能夠適應(yīng)大變形，同時具有低成本的特點。傳統(tǒng)的巷旁支護如木垛、矸石、密集木支柱以及混凝土塊等因其自身力學(xué)性質(zhì)成為長期以來制約沿空留巷技術(shù)應(yīng)用的主要因素［1－3］，使得沿空留巷只能在一些條件相對較好的薄及中厚煤層中應(yīng)用。針對傳統(tǒng)巷旁支護存在的問題，國內(nèi)外相關(guān)科研院所開展了大量新材料的研究開發(fā)工作，最終研制成功高水速凝材料作為巷旁充填材料［4］，有效地改善了沿空留巷巷旁支護體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但是目前關(guān)于高水速凝材料構(gòu)筑巷旁充填體的具體參數(shù)少有研究，有必要對影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的相關(guān)參數(shù)展開系統(tǒng)詳細的研究。

1 工程地質(zhì)條件

平煤股份二礦庚20－F23070采煤工作面位于二礦庚三采區(qū)中部東側(cè)，采深375～465m，可采走向長577～588m，主采庚20煤層，傾角7～12°，煤層含2層夾矸，屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層。中上層夾矸0～0.3m，下層夾矸0.4～1.6m，2層夾矸合計平均厚0.7m，對開采煤質(zhì)影響較大。煤層為肥煤、末狀。工作面位置關(guān)系見圖1所示。

圖1 工作面位置關(guān)系

試驗巷道斷面為倒梯形，原巷道寬4.7m，中線高度3m。頂板為深灰色厚層狀石灰?guī)r，平均厚2.3m，局部裂隙發(fā)育，堅硬性脆，其上為1.25～2m的灰色砂質(zhì)泥巖，質(zhì)地較硬，再上為0.9m厚的庚19煤層，松軟，底板為灰色砂質(zhì)泥巖，平均厚6.5m，其下為石灰?guī)r，平均厚11.6m。機巷原支護形式為頂板采用20mm×2000mm建筑螺紋鋼等強錨桿支護、兩幫采用20mm×2000 mm管縫式錨桿支護、兩幫鋪設(shè)了菱形金屬網(wǎng)，巷道斷面及支護如圖2所示。

2 數(shù)值模擬模型的建立

圖2 庚20－F23070工作面機巷支護

為了詳細分析沿空留巷巷旁充填墻體對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，根據(jù)平煤股份二礦庚20－F23070工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立相應(yīng)的數(shù)值力學(xué)分析模型，如圖3所示。將巷道兩側(cè)10m范圍內(nèi)的煤體劃分為0.5m×0.25m(寬×高)的網(wǎng)格;巷道頂板劃分為0.5m×0.25m(寬×高)的網(wǎng)格;巷道底板劃分為0.5m×0.25m(寬×高)的網(wǎng)格，上覆巖層及下覆巖層劃分為1.0m×0.25m(寬×高)的網(wǎng)格。計算模型尺寸為長×寬=180m×61m，上邊界載荷按采深400m計算，底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定，巷道寬×高=4.5m× 3.0m。

圖3 數(shù)值計算力學(xué)模型

材料本構(gòu)模型為摩爾－庫侖模型。由于巷道圍巖局部進入峰后塑性變形階段，具有應(yīng)變軟化性能，模擬充填體部分采用應(yīng)變軟化模型。

數(shù)值模擬中各巖層、煤層的力學(xué)參數(shù)通過庚20－F23070機巷以往相關(guān)力學(xué)性能測試，結(jié)合礦井已有地質(zhì)資料，最終得到各巖層以及結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 塊體力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為探討巷旁充填沿空留巷頂板的穩(wěn)定性與充填墻體的強度和幾何尺寸的關(guān)系，根據(jù)平煤股份二礦庚20－F23070工作面采高情況和高水速凝材料的特性，利用FLAC數(shù)值計算軟件對不同水灰比和充填墻體寬度展開研究，具體方案見表2，高水速凝材料不同水灰比條件下力學(xué)性能見表3。

表2 數(shù)值計算方案

表3 高水速凝材料凈漿單軸抗壓強度測試數(shù)據(jù)

3.1 充填體強度對圍巖穩(wěn)定性的影響

模型1，2，3的充填體寬度均為2.0m，模型1，2，3的水灰比分別為2.5∶1，2.0∶1，1.5∶1。

為研究不同充填體強度對沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的影響，對沿空巷道側(cè)和充填體側(cè)圍巖變形進行監(jiān)測，如圖4～圖6所示，其中測點1，2，3，4，5，6，7分別對應(yīng)巷道底板、頂板、實煤體幫、充填體內(nèi)側(cè)、充填體下部底板、充填體上方頂板、充填體外側(cè)。

圖4 模型1的巷道圍巖變形曲線

模型1 當計算到17645步時，整個系統(tǒng)因為充填體的失穩(wěn)而失穩(wěn)。充填體在形成初期，充填體上承受的載荷很小，最終垂直方向上應(yīng)力平均值上升到19MPa，之后劇烈上升到21MPa。由于充填體具有塑性軟化特性，進入塑性變形階段后，其抗變形性能略微降低，由21MPa降低到17MPa。

圖5 模型2的巷道圍巖變形曲線

圖6 模型3的巷道圍巖變形曲線

在充填體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時，巷道變形量占到充填體總寬度的接近3/5，此時充填體已經(jīng)無法承受橫向過大的應(yīng)變，與此同時，充填體的橫向過大變形致使巷道實際面積嚴重減小，無法滿足正常的通風行人要求。由此可知，在該巷道寬度 (2.0m)，模型1選用的水灰比條件下充填體強度不能滿足實際生產(chǎn)需要。

模型2 當計算到14821步時，整個支護－圍巖系統(tǒng)最終穩(wěn)定下來，充填體并未出現(xiàn)失穩(wěn)變形。通過與模型1比較，雖然充填體寬度相同，但兩者的圍巖控制效果相差很大。充填體兩幫移近量減少近200mm，巷道頂板下沉量減少近70mm。模型1充填體在頂板劇烈活動后很快失穩(wěn)，而模型2中的充填體是穩(wěn)定的。模型2充填體內(nèi)側(cè)變形656mm，可以保證正常的巷道通風行人要求，整體圍巖控制效果較好。

模型3 當計算到15897步時，整個支護－圍巖系統(tǒng)保持穩(wěn)定狀態(tài)，充填體以穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形態(tài)存在。通過與模型2比較，充填體內(nèi)側(cè)移近量減少近136mm，充填體外側(cè)移近量減少近141mm，巷道頂板下沉量減少36mm，實體煤幫位移減少15mm。充填體整體變形量占充填體寬度30%左右，保持在正常的變形范圍內(nèi)。

可以看出充填材料的力學(xué)性能對沿空留巷的圍巖控制作用是十分明顯的。水灰比越小，高水速凝材料的力學(xué)性質(zhì)越大，對圍巖控制效果越明顯。

3.2 充填體寬度對圍巖穩(wěn)定性的影響

模型3，4，5，6的水灰比均為1.5∶1，模型3，4，5，6的寬度分別為 2.0m，1.5m，2.5m，3.0m。不同充填體寬度條件下巷道圍巖變形狀況如圖7所示，巷道圍巖變形量見表4所示。

表4 不同充填體寬度條件下巷道圍巖變形量

綜合模型3，4，5，6的模擬可以看出，充填體的寬度過小和水灰比過大都會嚴重影響沿空留巷的護巷效果。由充填體的失穩(wěn)狀況可以看出，充填體寬度為2.0m，水灰比為1.5∶1時能夠保證較好的圍巖控制效果。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

將以上確定的參數(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用，觀測結(jié)果表明本文的設(shè)計是可行的。圖8、圖9為工作面后方充填體縱向變形與工作面距離的關(guān)系。

由圖8，圖9可見，巷旁支護體縱向變形是巷旁支護體與圍巖相互作用關(guān)系在巷旁支護體上的反映，與圍巖變形規(guī)律基本一致，可分為4個階段:

圖7 不同充填體寬度條件下巷道圍巖變形

第1階段 －5～－10m，因弧形三角塊保護，頂板下沉量小，支護體承受載荷小，且巷旁支護體有一定的早期支護阻力，因而充填體的縱向變形量與巷道變形量相比要小，且變形速度相對較慢。

圖8 工作面后方充填體縱向變形與工作面距離的關(guān)系

圖9 工作面后方充填體縱向變形速度與工作面距離的關(guān)系

第2階段 －10～－60m，在這一階段，頂板活動開始劇烈，頂?shù)装逡平恳约耙平俣乳_始加大，支護體承受載荷增加，充填體變形加劇。此范圍內(nèi)，支護體既要能適應(yīng)上位巖層下沉變形，又要能控制上位巖層間不要離層，這就要求巷旁充填體具有很好的可縮性能。

第3階段 －60～－80m，在這一范圍內(nèi)，圍巖活動漸緩，充填體變形速度迅速下降。

第4階段 －80m以后，巷旁支護體變形隨圍巖活動穩(wěn)定而趨于穩(wěn)定，縱向變形速度均降至0.4mm/d以下。

5 結(jié)論

充填體材料的力學(xué)性能對沿空留巷的護巷效果影響大，其次是充填體的寬度。沿空留巷充填體充填材料的水灰比應(yīng)該控制在2∶1以下，充填體合理寬度應(yīng)該在2.0m以上。最終確定合理的水灰比為1.5∶1;充填體寬度為2.0m;當水灰比為1.5∶1，充填體寬度為2.0m情況下，充填體是穩(wěn)定的，其巷道頂板下沉達到 346mm，煤幫位移26mm，有效地控制了沿空留巷的圍巖變形。

［1］趙紅超，陳 勇.沿空留巷整體澆筑護巷帶圍巖控制技術(shù)［J］.煤礦開采，2011，16(3):95－97.

［2］孫恒虎，趙炳利.沿空留巷的理論與實踐［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1993.

［3］郭育光，柏建彪，侯朝炯.沿空留巷巷旁充填體主要參數(shù)研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1992(4):1－11.

［4］柏建彪，周華強，侯朝炯，等.沿空留巷巷旁支護技術(shù)的發(fā)展［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，33(2):183－186.

［責任編輯:姜鵬飛］

TD353

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1006-6225(2012)04-0066-04

2012－02－10

李保順 (1964－)，男，河南扶溝人，工程師，總辦室首席工程師，一直從事煤礦井下施工的技術(shù)和管理工作。