何風(fēng)貞，闞甲廣，楊 森，華心祝，李迎富，王化洋

（1.中國礦業(yè)大學(xué)深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州221116；2.安徽理工大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，安徽淮南232001）

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堅(jiān)硬頂板下沿空留巷巷旁充填體合理寬度優(yōu)化研究

何風(fēng)貞1，闞甲廣1，楊 森1，華心祝2，李迎富2，王化洋1

（1.中國礦業(yè)大學(xué)深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州221116；2.安徽理工大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，安徽淮南232001）

巷旁充填體寬度是沿空留巷體系的一個(gè)重要參數(shù)，決定著留巷體系的穩(wěn)定。不同頂板條件下，巷旁充填體具有不同的合理寬度。根據(jù)沙曲煤礦沿空留巷的工程地質(zhì)情況，對堅(jiān)硬頂板條件下沿空留巷巷旁充填體合理寬度優(yōu)化進(jìn)行研究，采用理論計(jì)算確定充填體寬度范圍在（1.65m，3.75m）內(nèi)，通過數(shù)值模擬選擇合理寬度值為3.0m，并通過工程實(shí)踐對確定的充填體合理寬度值進(jìn)行驗(yàn)證，工程實(shí)踐中留巷體系整體變形量小，能夠保證留巷具有有效的使用斷面，留巷能夠成功。分析表明：在堅(jiān)硬頂板條件下，巷旁充填體寬度具有一定的選擇范圍，在該范圍內(nèi)選擇合理的巷旁充填體寬度能夠有效降低留巷體系的變形量，提升留巷體系的穩(wěn)定性，該種方式確定的堅(jiān)硬頂板條件下沿空留巷巷旁充填體合理寬度能夠運(yùn)用于類似條件礦井。

堅(jiān)硬頂板；沿空留巷；巷旁充填體；合理寬度

沿空留巷是實(shí)現(xiàn)無煤柱與瓦斯共采的關(guān)鍵途徑，具有提高煤炭資源采出率，降低礦井掘進(jìn)率，解決瓦斯問題，消除煤柱護(hù)巷時(shí)煤柱下方產(chǎn)生的應(yīng)力集中對下部煤層開采造成的影響等優(yōu)點(diǎn)［1］。巷旁充填體是沿空留巷體系的重要組成部分，充填體寬度是否合理直接決定著留巷是否能夠成功［2］。充填體寬度過寬會(huì)增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度和煤礦生產(chǎn)成本，充填體寬度過窄則會(huì)嚴(yán)重影響留巷體系的穩(wěn)定性，造成圍巖變形量大，留巷難以成功［3-4］。

國內(nèi)眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員針對多種工程技術(shù)條件下留巷充填體合理寬度進(jìn)行了深入的研究。李迎富、華心祝［5］通過對關(guān)鍵塊穩(wěn)定性的力學(xué)分析，確定了二次留巷巷旁充填體的合理寬度。陳勇、柏建彪［6］等通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)，分析充填體寬度與留巷圍巖應(yīng)力和變形的關(guān)系，確定了合理的巷旁充填體寬度。張東升、繆協(xié)興［7］等用數(shù)值模擬和相似材料模擬，研究充填體寬度與頂板活動(dòng)規(guī)律之間的關(guān)系，確定了綜放沿空留巷巷旁充填體的合理寬度。謝文兵［8］等對綜放開采下沿空留巷充填體的寬度確定進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析充填體寬高比對留巷體系的影響。

但是隨著采深增加，沿空留巷仍面臨著圍巖難以支護(hù)的技術(shù)難題［9］。特別是堅(jiān)硬頂板條件下頂板來壓劇烈，工程難度大。而現(xiàn)有的研究對堅(jiān)硬頂板條件下的巷旁充填體合理寬度的確定研究較少，堅(jiān)硬頂板條件下留巷充填體變形破壞嚴(yán)重的問題一直難以解決，因此對該條件下沿空留巷巷旁充填體合理寬度進(jìn)行優(yōu)化研究對提升沿空留巷體系穩(wěn)定性有著重要作用。本文以沙曲煤礦為工程實(shí)例，通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法，對堅(jiān)硬頂板下巷旁充填體合理寬度優(yōu)化進(jìn)行研究。

1　工程概況

留巷工作面埋深376～428m，平均埋深為400m，工作面長度為210m，工作面煤層平均厚度4m，為中厚煤層，煤層傾角3～7°，平均5°左右。直接頂為1m厚的粉砂巖，堅(jiān)固性系數(shù)f=6，基本頂為4.5m厚的砂巖，堅(jiān)固性系數(shù)f=7.5，屬于堅(jiān)硬頂板；直接底為泥質(zhì)砂巖或粉砂巖，厚度為4.5m；老底為砂巖，厚度為4.5m。該工作面為綜采面，掘進(jìn)期間巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)形式，回采前對留巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。巷旁充填體采用CHCT膏體混凝土留巷充填材料添加30mm碎石，為提升充填墻體強(qiáng)度，在充填墻體內(nèi)合理布筋。

2　巷旁充填體合理寬度力學(xué)計(jì)算

回采期間，隨著巷道一側(cè)煤體的采出，側(cè)向頂板懸露面積增加，頂板側(cè)向彎曲下沉，出現(xiàn)斷裂。沿空留巷頂板側(cè)向斷裂模型如圖1所示。

圖1　沿空留巷頂板側(cè)向斷裂模型

圖中a為巷旁充填體寬度；b為巷寬；x0為基本頂斷裂基點(diǎn)到煤壁的水平距離，斷裂點(diǎn)位于煤幫的彈塑性交界處；L為基本頂側(cè)向關(guān)鍵塊長度；h為基本頂厚度；h1為直接頂厚度；m為煤層厚度；h2為直接底厚度。

沿空留巷初期，基本頂側(cè)向破斷之前，上方巖層產(chǎn)生的應(yīng)力主要由基本頂承擔(dān)，充填墻體僅承擔(dān)附近區(qū)域直接頂重量，此時(shí)巷旁充填體受力按照式

（1）計(jì)算:

式中，a1為充填墻體最低寬度；n為采高的倍數(shù)，一般為4～8；γ0為直接頂?shù)捏w積力；x0按照式（2）計(jì)算［10］（或通過礦井生產(chǎn)探測鉆孔確定）:

式中，λ為側(cè)壓系數(shù)；m1為巷道高度；c0為煤層與頂?shù)装宓酿ぞ哿Γ?0為煤層與頂?shù)装褰唤缑娴膬?nèi)摩擦角；k為應(yīng)力集中系數(shù)；H為巷道埋深；γ為上覆巖層平均容重；Px為煤幫支護(hù)阻力。

為保證留巷初期巷旁充填體的穩(wěn)定且不發(fā)生破壞性變形，巷旁充填體受力應(yīng)滿足式（3）

式中，σ2為巷旁充填體的初期強(qiáng)度。

由式（3）可得留巷初期巷旁充填體寬度應(yīng)滿足式（4）所示條件

當(dāng)直接頂垮落，基本頂發(fā)生破斷時(shí)充填體在采空區(qū)側(cè)受力最為顯著，此時(shí)巷旁充填體采空側(cè)受力按式（5）計(jì)算［11］

式中，t為直接頂碎脹系數(shù)；E，E1，E2分別為煤層等效彈性模量、直接頂?shù)刃椥阅Ａ?、直接底等效彈性模量；L按式（6）計(jì)算［12］

在直接頂垮落，基本頂發(fā)生破斷期間，為保證充填體不發(fā)生破壞性變形，充填體在采空區(qū)側(cè)受力應(yīng)滿足式（7）所示條件:

式中，σt為充填體最終強(qiáng)度。

由式（5）和式（7）可得基本頂斷裂期間巷旁充填體寬度應(yīng)滿足式（8）:

由式（4）和式（8）可得巷旁充填體合理寬度范圍在（a1，a2）內(nèi)。

根據(jù)礦井生產(chǎn)和頂板管理，基本頂周期來壓步距最大為25m（由礦井具體生產(chǎn)確定），計(jì)算巷旁充填體寬度范圍的其他參數(shù)如下:λ=0.4，b=4m，c0=1.5MPa，n=6，γ=γ0=25kN/m3，k=2.3，?0=35°，Px=0.15MPa，H=400m，S0=210m，E =80MPa，E1=130MPa，E2=160MPa，t=1.1，h2=4.5m，巷旁充填材料為膏體混凝土材料，充填體1d后的初期強(qiáng)度σ1能達(dá)到3.5MPa，充填墻體的后期強(qiáng)度最大可達(dá)到20MPa。根據(jù)式（4）和式（8）得到沙曲煤礦堅(jiān)硬頂板下巷旁充填墻體的寬度應(yīng)在（1.65m，3.75m）內(nèi)。

3　充填體合理寬度數(shù)值模擬分析

3.1模型建立

根據(jù)礦井地質(zhì)資料，利用FLAC3D軟件建立計(jì)算模型，模型計(jì)算采用莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則。模型尺寸為:長×寬×高=200m× 60m×43.5m，模型分為 7層，模型上方施加9.96MPa的垂直應(yīng)力，模型的側(cè)壓系數(shù)為0.4，模型左右兩側(cè)水平位移和底部垂直位移固定。模擬中充填墻體寬度分別設(shè)定為 2.0m，2.5m，3.0m，3.5m。模型各分層巖體性質(zhì)如表1所示。

表1　模型各巖層特征

3.2數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1不同寬度條件下留巷體系變形

圖2為不同寬度條件下留巷體系變形直觀圖。

從圖2可以看出，當(dāng)充填體寬度為2.0m和2.5m時(shí)巷旁體系變形較大，留巷體系穩(wěn)定性差；當(dāng)充填墻體寬度為3.0m和3.5m時(shí)充填墻體變形量、頂板下沉量及煤壁側(cè)向變形量小，留巷體系整體能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.2不同寬度條件下充填體中垂直應(yīng)力

圖2　不同充填體寬度下留巷體系變形直觀

圖3 不同寬度條件下充填體垂直應(yīng)力

圖3為充填體垂直應(yīng)力隨寬度變化曲線。從圖3可知，充填體中最大承載能力和高應(yīng)力承載區(qū)隨著充填體寬度的增加而增加。當(dāng)充填體寬度由2.5m增加到3.0m時(shí)，充填體中最大垂直應(yīng)力由9.0MPa增加到12.3MPa，增加了36.7%，當(dāng)寬度由3.0m增加到3.5m時(shí)，充填墻體的最大垂直應(yīng)力僅提升了9.8%。這表明當(dāng)寬度增加到一定值后充填墻體的承載能力和抗變形能力得到較大提升，能夠承載較大的垂直應(yīng)力且不發(fā)生較大變形。

3.2.3實(shí)體煤幫垂直應(yīng)力分析

圖4為不同寬度條件下實(shí)體煤幫中垂直應(yīng)力變化曲線，由圖4可知，在距離煤壁3m處開始出現(xiàn)較高的垂直應(yīng)力，隨著充填體寬度的增加，煤體中距煤壁3m處的垂直應(yīng)力隨之減小。當(dāng)充填體寬度由2.5m增加到3.0m時(shí)，煤體中距煤壁3m處的垂直應(yīng)力由22MPa降低為16MPa，減小了27.2%，當(dāng)充填體寬度由3.0m增加到3.5m時(shí)煤體中距煤壁3m處的垂直應(yīng)力僅降低了6.7%。這表明當(dāng)充填增加到合理寬度值3.0m時(shí)充填體能夠?qū)敯逄峁┹^大的支撐力，使得煤體上方基本頂受力均勻，從而減小了基本頂下沉在煤幫中形成的應(yīng)力集中程度。

圖4　實(shí)體煤幫中垂直應(yīng)力變化曲線

3.2.4不同寬度條件下頂板和充填體下沉量分析

圖5為直接頂下沉量和充填體垂向位移。

圖5　直接頂下沉量和充填體垂向位移

由圖5可知，充填體寬度達(dá)到合理寬度值時(shí)，直接頂下沉量和巷旁充填體的垂向位移迅速減小。當(dāng)巷旁充填體寬度由2.5m增加到3.0m時(shí)直接頂和充填體的下沉量明顯減小；當(dāng)巷旁充填體寬度繼續(xù)增加，直接頂和充填體下沉量減小幅度明顯降低。表明充填體寬度達(dá)到合理值（3m）時(shí)充填體的整體承載能力和穩(wěn)定性增強(qiáng)，承受來自頂板較大荷載時(shí)不發(fā)生破壞性變形，對頂板有較強(qiáng)的支撐力。

3.2.5不同寬度條件下煤壁和充填體側(cè)向變形

圖6為煤壁和充填體側(cè)向變形曲線。

由圖6可知，當(dāng)充填墻體寬度由2.5m增加到3.0m時(shí)，煤壁和充填墻體的側(cè)向變形均明顯減小。當(dāng)充填墻體寬度由3.0m增加到3.5m時(shí)充填體和煤壁的側(cè)向變形減小幅度較小。這表明當(dāng)巷旁充填體寬度達(dá)到合理值時(shí)，能夠有效地控制巷道整體變形量，使巷道的整體變形量明顯減小，從而保證留巷體系具有有效的使用斷面。

4　工程實(shí)踐

圖6　煤壁和充填體側(cè)向變形曲線

根據(jù)以上理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，在沙曲煤礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。根據(jù)理論分析，確定試驗(yàn)留巷體系巷旁充填墻體的合理寬度為3m。在試驗(yàn)中布置測點(diǎn)對留巷體系的變形量和充填墻體中的垂直應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7　巷道變形曲線

圖8　不同寬度充填墻體中橫向垂直應(yīng)力

根據(jù)圖7和圖8所示，在監(jiān)測期內(nèi)工作面后方27m范圍內(nèi)，基本頂最大下沉量為86mm，充填墻體最大下沉量為140mm，兩幫側(cè)向位移總量接近150mm，巷道總體變形情況與數(shù)值模擬（圖5、圖6）基本一致；根據(jù)對充填墻體垂直應(yīng)力監(jiān)測，在基本頂下沉初期充填墻體就能提供預(yù)期的支撐力，巷旁充填體中最大垂直應(yīng)力16MPa，略微大于數(shù)值模擬中充填墻體中垂直應(yīng)力最大值，但充填墻體未發(fā)生破壞性變形。觀測數(shù)據(jù)表明當(dāng)充填墻體寬度為3.0m時(shí)，留巷體系變形量與數(shù)值模擬值結(jié)果相近，圍巖活動(dòng)穩(wěn)定后，留巷體系最終能滿足礦井生產(chǎn)需要。

5　結(jié) 論

（1）在堅(jiān)硬頂板條件下，沿空留巷巷旁充填體寬度存在一個(gè)合理值。理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果表明，沙曲煤礦巷旁充填墻體寬度合理值為3.0m。

（2）堅(jiān)硬頂板條件下，合理的充填墻體寬度能夠大幅提高充填體承載能力和穩(wěn)定性，進(jìn)而抑制頂板下沉和巷道兩幫變形。同時(shí)合理的寬度能夠使實(shí)體煤幫內(nèi)垂直應(yīng)力減小，降低煤幫因高應(yīng)力而產(chǎn)生的破壞性變形。

（3）工程實(shí)踐表明采用該種方法確定的沙曲煤礦堅(jiān)硬頂板條件下沿空留巷巷旁充填體寬度是合理的。合理的充填墻體寬度（3.0m）下，留巷體系整體變形量小，留巷體系的穩(wěn)定性顯著提高，留巷的成功率得到提升，滿足了礦井的高效、安全生產(chǎn)的要求。

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［責(zé)任編輯：于健浩］

Optimal Studying of Rational Roadside Packing Width of Gob-side Entry Retaining under Harden Roof

HE Feng-zhen1，KAN Jia-guang1，YANG Sen1，HUA Xin-zhu2，LI Ying-fu2，WANG Hua-yang1
（1.Education Ministry Key Laboratory of Deep Coal Resources Mining，Mining Engineering School，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221116，China；2.Energy and Safety School，Anhui University of Science&Technology，Huainan 232001，China）

Roadside packing width is an important parameter of gob-side entry retaining system，it is important for gob-side entry retaining system stability.Roadside packing width has different rational width under different roof situation.According geological situation of gob-side entry retaining of Shaqu coal mine，the optimal roadside packing rational width of gob-side entry retaining under harden roof was studied，the rational width scope is 1.65m to 3.75m after theoretical calculated，the rational width is 3.0m by numerical simulation，the width was verified by in practical，the total deformation of gob-side entry retaining system was small，an valid section could be ensured and gob-side retaining would be successfully.After analysis，the roadside packing width has some choose scope under harden roof，and gob-side entry retaining deformation could be decreased effectively by rational width of roadside packing width，then the stability would be improved，it references for similar situation.

harden roof，gob-side entry retaining，roadside packing width；rational width

TD823.7

A

1006-6225（2016）04-0056-04

2016-01-05

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.015

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51274010）；江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（BK20151145）；煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（JYBSYS2015203）

何風(fēng)貞（1989-），男，河南平頂山人，在讀碩士研究生，從事巷道圍巖控制方向的研究。

［引用格式］何風(fēng)貞，闞甲廣，楊 森，等.堅(jiān)硬頂板下沿空留巷巷旁充填體合理寬度優(yōu)化研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：56-59，72.