裴守仁

（汾西礦業(yè)集團(tuán)孝義煤礦管理分公司,山西 孝義 032300）

沿空留巷在我國(guó)井工煤礦的應(yīng)用較為廣泛,其技術(shù)優(yōu)勢(shì)所帶來(lái)的提高煤炭資源回收率及減少巷道掘進(jìn)工程量等優(yōu)點(diǎn)十分明顯,同時(shí),膏體充填法近年來(lái)也不斷應(yīng)用于沿空留巷的巷旁支護(hù)。而膏體充填技術(shù)的應(yīng)用,其關(guān)鍵技術(shù)之一就是對(duì)充填體寬度值進(jìn)行合理設(shè)計(jì)［1－3］。為解決這一問(wèn)題,針對(duì)實(shí)際面臨的沿空留巷實(shí)踐需求,對(duì)其工程中巷旁充填體的寬度值進(jìn)行設(shè)計(jì),以期提供合理的設(shè)計(jì)值,對(duì)工程實(shí)踐進(jìn)行指導(dǎo)應(yīng)用。

1 工程簡(jiǎn)介

本課題選擇的具體工程實(shí)踐地點(diǎn)為18205工作面,該面煤層平均厚度3.29m,平均傾角5°；直接頂為石灰?guī)r,厚2.42m,老頂為粉砂巖,厚4.21m；18205工作面為3條平巷布置,本工程實(shí)踐即選取軌道平巷進(jìn)行沿空留巷試驗(yàn),本巷道原高3.5m,寬5.5m,為大斷面巷道,并對(duì)巷道進(jìn)行了錨桿索配合托架及金屬網(wǎng)支護(hù)。回采后,計(jì)劃采用充填法保留18205軌道平巷,但留巷后的巷道尺寸由原來(lái)的5.5m縮至4.6m,即充填墻體應(yīng)向原巷道空間內(nèi)錯(cuò)入0.9m。

2 沿空留巷圍巖變形分析

工作面回采之后由于上覆巖層的劇烈下沉,使巷道處于惡劣的圍巖條件,沿空留巷的技術(shù)要求使其必須在巷道圍巖發(fā)生較大位移之前就實(shí)施完畢。根據(jù)圖1所示的沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)模型示意圖,工作面回采后,老頂沿工作面傾向方向發(fā)生斷裂,巷道圍巖變形受上覆老頂關(guān)鍵塊體B的回轉(zhuǎn)下沉影響,造成頂板下沉,巷幫受擠壓向巷道空間鼓出,其中,頂板下沉量的形成包括多個(gè)方面：巷道掘進(jìn)后原始變形量、老頂斷裂后形成的回轉(zhuǎn)下沉量以及圍巖松動(dòng)破壞后的擴(kuò)容變形量等［4］。沿空留巷后的巷道變形量變化受上區(qū)段工作面的推采影響較大,其中,拖后工作面推進(jìn)10m～20m時(shí)變形速度較大,拖后工作面推進(jìn)0m～60m階段所形成的巷道變形占到總變形量的80%,是控制沿空留巷圍巖變形的關(guān)鍵階段［5］。

圖1 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)模型

3 模擬分析充填體合理寬度值

3.1 UDEC數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)工程試驗(yàn)點(diǎn)的實(shí)際地質(zhì)條件,設(shè)計(jì)出5個(gè)UDEC數(shù)值模擬方案,5個(gè)方案主要區(qū)別在設(shè)計(jì)的充填體寬度,分別為3.5m、3.0m、2.5m、2.0m、1.5m。圍巖本構(gòu)關(guān)系采用Mohr－Coulomb模型,煤巖體和力學(xué)參數(shù)見(jiàn)第110頁(yè)表1、表2。

3.2 模擬結(jié)果分析

按照建立模型、塊體及節(jié)理賦值、初始平衡計(jì)算、巷道開(kāi)挖及支護(hù)、二次平衡計(jì)算、工作面回采及沿空留巷充填、再次平衡計(jì)算等工作順序,得出掘巷后巷道圍巖塑性區(qū)如第110頁(yè)圖2所示,5個(gè)數(shù)值模擬方案對(duì)應(yīng)的充填效果及圍巖狀態(tài)如圖3～圖7所示。

表1 模擬煤巖層力學(xué)參數(shù)

表2 模擬煤巖層節(jié)理面力學(xué)參數(shù)

圖2 掘巷后巷道圍巖塑性區(qū)

圖3 充填體寬度3.5 m

圖4 充填體寬度3.0m

圖5 充填體寬度2.5 m

圖6 充填體寬度2.0m

圖7 充填體寬度1.5 m

由以上模擬結(jié)果及測(cè)線(xiàn)記錄結(jié)果分析可知：1）充填墻體的寬度因素對(duì)巷道斷面的變化影響較大,其中,墻體寬度越小,對(duì)巷道圍巖控制越不利,墻體寬度越大,巷道圍巖越可控,其中,墻體寬度低于2.0m時(shí)其墻體自身無(wú)法保持穩(wěn)定狀態(tài),對(duì)巷道的整體控制效果極差,而充填體寬度在2.5m及以上時(shí)充填體自身形態(tài)及巷道斷面收縮得到有效控制；2）模擬結(jié)果顯示,隨著充填體寬度的減小,巷道圍巖塑性區(qū)不斷向深部發(fā)展,受擾動(dòng)范圍不斷增大,頂板回轉(zhuǎn)下沉對(duì)煤體擾動(dòng)范圍增大,過(guò)窄的充填體寬度使巷道圍巖發(fā)生塑性破壞,失去支承能力,不利于巷道煤幫的穩(wěn)定性控制；3）充填體寬度低于2.0m時(shí)采空區(qū)內(nèi)頂板不易破碎垮落,主要是由于充填體自身變形大,切頂能力不足,導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)頂板不易破碎垮落,導(dǎo)致頂板壓力不能及時(shí)釋放或轉(zhuǎn)移,使巷道圍巖長(zhǎng)期處于應(yīng)力集中區(qū),惡化了充填體及巷道圍巖的受力狀態(tài),使巷道變形持續(xù)發(fā)展,及至不可控狀態(tài)。

提取4條測(cè)線(xiàn)記錄的巷道圍巖位移數(shù)據(jù),作出巷道頂?shù)装逡平壳€(xiàn)圖及兩幫移近量曲線(xiàn)圖,如圖8、第111頁(yè)圖9所示。

圖8 巷道頂板移近量曲線(xiàn)

圖9 巷道兩幫移近量曲線(xiàn)

由圖8可知：1）不同方案的頂?shù)装逡平坎顒e較大,且同一方案的頂?shù)装逡平垦叵锏缹挾确较驍?shù)值差異也較大,模擬圖中左幫處移近量較小,右?guī)吞幰平枯^大,且其兩幫處頂?shù)装逡平康谋戎到橛?～4之間,充填墻體寬度越小,該比值就越大,表明巷道頂板下沉量受上方老頂關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)下沉影響顯著,離實(shí)體煤側(cè)越近越小,反之越大；2）通過(guò)計(jì)算,5個(gè)方案對(duì)應(yīng)的頂?shù)装逡平孔畲笾嫡枷锏涝几叨鹊谋壤謩e為 9.2%、14.3%、15.9%、20.7%和26.1%,充填體寬度過(guò)窄時(shí)巷道頂板下沉量及底鼓量過(guò)大,斷面收縮嚴(yán)重,導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)中巷道高度不能滿(mǎn)足使用要求。

由圖9可知：1）不同方案的兩幫移近量差別較大,表現(xiàn)為在巷幫中部移近量較大、鼓幫,上下移近量較小,表明巷道兩幫移近量主要是由于煤幫及支護(hù)體受壓后向巷道空間擠壓變形造成的,且鼓幫的程度最大發(fā)生在巷幫中部；2）5個(gè)方案對(duì)應(yīng)的兩幫移近量最大值占巷道寬度的比例分別為5.3%、6.8%、7.7%、10.1%和11.6%,充填體寬度過(guò)窄時(shí)兩幫鼓幫程度嚴(yán)重,斷面收縮嚴(yán)重,實(shí)際使用時(shí)巷道寬度不能滿(mǎn)足要求。

由以上分析結(jié)果作圖10所示曲線(xiàn)關(guān)系,5個(gè)方案的頂?shù)装逡平科骄嫡枷锏栏叨鹊谋壤謩e為7%、10%、12%、16%和18%,兩幫移近量平均值占巷道寬度的比例分別為3%、4%、5%、7%和9%,當(dāng)充填墻體寬度由2.5m向1.5m遞減時(shí),位移變化曲線(xiàn)及塑性區(qū)擴(kuò)展深度曲線(xiàn)較陡,表明巷道圍巖變形失穩(wěn)概率更大,而充填墻體寬度3.5m至2.5m時(shí),巷道圍巖控制效果較好,表明充填墻體寬2.5m是一個(gè)變化范圍的區(qū)分值,應(yīng)以此為依據(jù)進(jìn)行充填體寬度設(shè)計(jì)。

圖10 巷道圍巖移近量及煤幫塑性區(qū)寬度曲線(xiàn)

由以上數(shù)值模擬結(jié)果可知,充填體寬度設(shè)計(jì)為2.5m左右較為合理。當(dāng)充填體寬度大于該尺寸時(shí),巷道維護(hù)效果較好,但是充填體尺寸大,消耗料漿過(guò)多,經(jīng)濟(jì)上不合理；當(dāng)充填體寬度小于該尺寸時(shí),巷道圍巖控制效果較差,且為了達(dá)到更好的維護(hù)效果,往往需要通過(guò)提高料漿的凝固強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn),同樣增加了成本,在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面均不甚合理。最終設(shè)計(jì)的充填體寬度為2.5m。

4 工程實(shí)踐應(yīng)用

采用設(shè)計(jì)的充填參數(shù)及針對(duì)性支護(hù)參數(shù)進(jìn)行沿空留巷后,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巷道的位移變形進(jìn)行實(shí)測(cè)分析：18205軌道平巷沿空留巷后實(shí)測(cè)頂板離層值平均為27mm,最大值不超過(guò)41mm,頂板離層控制效果良好；而18205軌道平巷沿空留巷后實(shí)測(cè)頂?shù)装逡平靠刂圃?9mm～175mm,兩幫移近量控制在3mm～255mm,巷道頂、幫未見(jiàn)不可控變形,支護(hù)效果良好,圍巖相對(duì)穩(wěn)定,表明18205軌道平巷沿空留巷巷旁充填體寬度設(shè)計(jì)為2.5m,并實(shí)施合理的充填漿料配比及內(nèi)外加固措施,能夠?qū)崿F(xiàn)初始的工程目的,確保安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié)論

18205軌道平巷選定混凝土膏體材料進(jìn)行充填,巷旁充填體的寬度值是關(guān)鍵的控制參數(shù)。經(jīng)過(guò)研究分析,當(dāng)充填體寬度設(shè)計(jì)值低于2.5m時(shí),其自身強(qiáng)度差,穩(wěn)定性低,切頂效果差,不能確保沿空留巷后的圍巖穩(wěn)定及巷道使用；而充填體寬度設(shè)計(jì)值提高到2.5m以上時(shí),其自身穩(wěn)定程度及巷道圍巖控制程度均顯著提高,能夠確保沿空留巷后巷道的正常功能,但充填墻體過(guò)寬也會(huì)造成材料及工時(shí)的無(wú)謂消耗,所以本工程確定18205軌道平巷沿空留巷巷旁充填體寬度設(shè)計(jì)為2.5m。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沿空巷道頂板離層值平均為27mm,最大值不超過(guò)41mm,頂?shù)装逡平靠刂圃?9mm～175mm,兩幫移近量控制在3mm～255mm,巷道圍巖控制效果良好,表明18205軌道平巷沿空留巷巷旁充填體寬度設(shè)計(jì)為2.5m,并實(shí)施合理的充填漿料配比及內(nèi)外加固措施,能夠?qū)崿F(xiàn)初始的工程目的,確保安全高效生產(chǎn)。

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