柳 晶，李根威

（呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系 山西 呂梁 033000）

0 引言

沿空留巷不僅可以利用工作面通風(fēng)，還可以提高資源采出率。但是在實(shí)際中，往往會遇到諸多問題，工作面為厚煤層軟底時，普通留巷方式圍巖不穩(wěn)定。需對此展開深入研究。諸多學(xué)者從理論到實(shí)際對沿空留巷進(jìn)行了一系列深入的研究。張東升、馬立強(qiáng)等[1-3]通過研究了不同巷旁充填體強(qiáng)度，得出了各種情況下寬度的最低標(biāo)準(zhǔn)；楊博[4]等通過研究頂板的堅硬程度與充填體的作用關(guān)系，得出了不同支護(hù)方式下頂板的破壞情況；朱道勇[5]等通過FLAC3D模擬軟件模擬了充填材料對圍巖變形的影響，設(shè)計了合理的巷旁支護(hù)體。

綜上所述，眾多學(xué)者已對沿空留巷進(jìn)行了深入的研究。但對于厚煤層軟底條件下沿空留巷的研究較少，現(xiàn)通過某煤礦N1202 工作面對厚煤層軟底時沿空留巷的充填體選擇及其合理支護(hù)措施進(jìn)行研究。

1 工程概況

某煤礦N1202 工作面地處山西省長治市境內(nèi)，埋深905 m～916 m，煤層傾角0°～2°，煤層賦存條件良好，綜放開采。煤厚5.32 m～6.62 m，采高3.0 m，煤層上覆巖層中直接頂為3.0 m 厚炭質(zhì)泥巖，基本頂為5.0 m厚的含礫砂巖，煤層上部巖層中直接底為2.5 m厚的泥巖，基本底為3.4 m厚的砂質(zhì)泥巖，老底為4.0 m厚的粗砂巖，回風(fēng)順槽為矩形斷面，寬5 500 mm，高3 000 mm。N1202 工作面煤層頂?shù)装鍘r層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

2 煤層軟底沿空留巷圍巖變形破壞原理

2.1 厚煤層軟底沿空留巷底鼓變形規(guī)律

工作面推過后，采空區(qū)直接頂垮落并碎脹充填采空區(qū)，塊體B＇受到充填體作用給直接頂斷裂塊的支撐阻力，而這個力相當(dāng)于將塊體B＇進(jìn)行切斷的一個切頂力，使得塊體B＇所受拉力大于最大極限抗拉強(qiáng)度后斷裂，塊體B＇斷裂成塊體B和C，塊體B后續(xù)受到采空區(qū)碎脹體和充填體的支撐力，由于采空區(qū)側(cè)支撐力明顯小于支護(hù)側(cè)，出現(xiàn)回轉(zhuǎn)下沉現(xiàn)象。

圖1 沿空留巷結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

工作面開采時沿空留巷多次受采動影響，圍巖破壞嚴(yán)重，再加上底板質(zhì)地軟弱，發(fā)生底鼓現(xiàn)象突出，并呈周期性出現(xiàn)，巷道底鼓最開始是在巷道剛開掘的時候時有出現(xiàn)，之后在工作面推進(jìn)的時候底鼓會表現(xiàn)地更為突出。在巷道開挖后，原本儲存在巖體的彈性勢能會突然釋放，對底板造成集中破壞，尤其是軟弱底板的時候表現(xiàn)地更為明顯，煤壁和充填體受到高應(yīng)力再將力作用到底板上，由于底板軟弱，強(qiáng)度不足，導(dǎo)致煤體和充填體侵入軟弱底板，底板長期處在高應(yīng)力環(huán)境下，軟弱底板進(jìn)一步的破壞最終導(dǎo)致繞曲失穩(wěn)。軟弱直接底的變形主要是直接底破碎，再加上基本底的壓曲破壞和老底的繞曲失穩(wěn)。綜上分析可得，老底的繞曲失穩(wěn)變形量與基本底的壓曲破壞變形量的最大值即為實(shí)際底鼓量。

圖2 沿空留巷底鼓變形示意圖

2.2 厚煤層軟底沿空留巷底鼓量

基本底發(fā)生底鼓破壞時壓曲力學(xué)模型見圖3：

圖3 基本底壓曲力學(xué)模型

由幾何關(guān)系計算得，基本底壓曲底鼓量為：

式中：a為巷道寬度，m；u為煤壁幫單側(cè)水平變形量，m，取0.04 m（取工作面實(shí)際作業(yè)中最大變形量）；w為基本底壓曲底鼓量，m。

老底發(fā)生底鼓破壞時建立的撓曲力學(xué)模型（四邊簡支）如圖4所示：

圖4 老底撓曲力學(xué)模型

其中薄板壓曲微分方程如下：

式中：A特定系數(shù)；L為基本底橫向?qū)挾?；x0為煤幫極限平衡區(qū)寬度，m；a為巷道寬度，m；b為支護(hù)體寬度，m。

簡支薄板四邊的邊界條件為：當(dāng)x=0 或L=0 時，，老底的總勢能為：

依最小總勢能原理，式（6）滿足：

可知老底撓度函數(shù)取最大值時即為老底撓曲的底鼓量，其值為：

式中：EB為老底彈性模量，GPa;hB為老底巖層厚度，m；DB為基本底抗彎剛度，MN·m；q為底板所受的單位載荷（來自充填體），MN/m；k為采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力集中系數(shù)；p為底板所受下部巖層的單位載荷，MN/m；σc為煤幫殘余強(qiáng)度，MPa；N為基本底縱向?qū)挾龋琺；γ為覆巖容重，kN3；H為采深，m；x為煤幫平衡區(qū)寬度，m；

厚煤層軟底沿空留巷的實(shí)際底鼓量最大值為：

其中：w=u1，A=u2。

計算得u1=0.467 m，u2=0.405 m，即u=0.467 m。

由計算結(jié)果可知底鼓量偏大，嚴(yán)重影響留巷的穩(wěn)定性。從力學(xué)模型和式（1）～（8）可知，導(dǎo)致綜采工作面底鼓偏大因素主要有：老底的彈性模量、所布置充填體的寬度和充填體自重對底板產(chǎn)生的壓力等。為減小底鼓量，需確定合理的充填體支護(hù)寬度。在底板條件一定的情況下，下表2 為N1202 工作面所布置充填體的寬度的基準(zhǔn)值及其變化范圍。

表2 影響因素的基準(zhǔn)值及變化范圍

巷旁支護(hù)體寬度與老底的撓曲量經(jīng)擬合呈線性關(guān)系，如圖5所示。

圖5 巷旁支護(hù)體與老底底鼓量關(guān)系

由圖5知充填體寬度小于1.5 m時，實(shí)際底鼓量為基本底底鼓量，當(dāng)大于1.5 m時，實(shí)際底鼓量為老底底鼓量，直接影響巷道底板變形情況，同時考慮到支護(hù)強(qiáng)度要求，太小的寬度不能達(dá)到破斷頂板的支護(hù)阻力條件。故選用1.5 m的充填體支護(hù)寬度，同時考慮到充填體自重影響，需采用柔性充填體，故初步確定充填體為C30強(qiáng)度混凝土，支護(hù)寬度為1.5 m。

2.3 厚煤層軟底沿空留巷頂板破斷條件

巷旁充填體支護(hù)阻力與上覆巖層載荷以及已跨落巖層殘留支護(hù)力共同支護(hù)頂板，基本頂由于受拉發(fā)生被動破壞，建立破斷模型如圖6。有基本頂破斷所需的巷旁充填體支護(hù)阻力計算公式為：

圖6 基本頂破斷力學(xué)模型

式中：MZ為單位長度直接頂頂板破斷極限彎矩，N/m；FJ1為D 點(diǎn)位置直接頂單位寬度發(fā)生剪切破斷的剪力，N；LBq為塊體B＇在充填體側(cè)切頂后的長度，m；Mj為單位長度基本頂抗彎彎矩，N/m；FJ2為D 點(diǎn)位置基本頂單位寬度發(fā)生剪切破斷的剪力，N；γj為基本頂巖體的容重，MN/m3；hj為基本頂?shù)膸r層厚度，m；M1為單位長度直接頂抗彎彎矩，N/m；Xj基本頂巖層斷裂位置，m；w為沿空留巷本身寬度，m；wc為巷旁充填體寬度，m。

結(jié)合N1202工作面實(shí)際條件取值計算得到當(dāng)充填體支護(hù)阻力達(dá)到9.362 kN/m2時，基本頂頂板發(fā)生被動破斷。直接頂較基本頂更易發(fā)生破斷且所需支護(hù)阻力更小，不另作計算。充填體寬度為1.5 m時C30的支護(hù)阻力達(dá)10.152 kN/m2，且隨充填寬度增加支護(hù)阻力增大。故C30強(qiáng)度混凝土即可滿足要求。

2.4 厚煤層軟底沿空留巷幫部變形分析

幫部變形是由頂板載荷與巷道支撐體共同作用引起的兩幫移近量，故研究頂板載荷作用是分析幫部變形的關(guān)鍵。埋深很大程度決定頂板作用到煤體和充填體上的載荷，N1202 工作面埋深大，故載荷大；基本頂?shù)暮穸群蛷椥阅Ａ恳矔休^大影響，基本頂厚度越大其自身越趨于穩(wěn)定，對充填體強(qiáng)度要求降低，厚度很薄容易破壞，亦對充填體強(qiáng)度要求低，N1202工作面基本頂7.9 m較厚對充填體要求高，需要選用較高強(qiáng)度和寬度的充填體。鑒于基本頂為含礫砂巖，彈性模量較低，較容易破斷，故對充填體要求可適當(dāng)降低；基本頂較薄時彈性模量不是影響其破斷的主要因素，可不作考慮；在載荷一定時，充填體寬度和其橫截面正應(yīng)力是呈負(fù)線性相關(guān)，充填體寬度越大其所受正應(yīng)力越小，發(fā)生幫部變形就越小，結(jié)合N1202工作面現(xiàn)場情況，幫部變形較小，最大部分僅為0.04 m，留巷較為成功。

2.5 厚煤層軟底沿空留巷頂板破斷位置影響

根據(jù)以往學(xué)者得出的經(jīng)驗，充填體橫截面的正應(yīng)力隨基本頂破斷位置的變化規(guī)律，其中兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。直接頂和基本頂破斷位置距離充填體較近的時候，會導(dǎo)致頂板的壓力集中作用到煤壁上方，而由于煤體強(qiáng)度低，所能提供的支撐力有限，大部分壓力會落在充填體上，導(dǎo)致充填體需要提供的支撐阻力大幅增加，解決措施即為增加充填體的強(qiáng)度和寬度，但是如此便會提高支護(hù)成本，不利于實(shí)行。因此，破斷位置的控制也很重要，結(jié)合N1202工作面地質(zhì)條件和工作面長度，發(fā)現(xiàn)其破斷距離基本都在6 m 以上，不會對留巷造成較為明顯影響，故留巷合理可行。

綜上所述，N1202工作面選用C30強(qiáng)度混凝土，充填體寬度1.5 m時即可實(shí)現(xiàn)安全留巷。

3 應(yīng)用效果

在N1202 工作面布置圍巖收斂變形監(jiān)測站，位于優(yōu)化留巷支護(hù)方案70 m 處，滯后工作面12 m 處；位移監(jiān)測站布置于優(yōu)化留巷支護(hù)方案150 m 處，超前回采工作面40 m處。通過兩監(jiān)測站記錄頂板下沉量、煤幫幫部變形量、底鼓量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，N1202 工作面沿空留巷變形從工作面后方20 m 處開始，200 m 時基本穩(wěn)定，在20 m～50 m 范圍內(nèi)變化波動明顯。巷道底鼓變形量最大值為200 mm，約占總體變形的一半。兩幫變形主要表現(xiàn)為煤幫幫鼓，且?guī)凸闹饕l(fā)生在煤幫中部，煤幫鼓出量約為35 mm，表明支護(hù)效果良好。

4 結(jié)論

（1）通過建立力學(xué)模型，基于N1202工作面實(shí)際頂?shù)装鍞?shù)據(jù)分析底鼓量最大為0.467 m，布置充填體寬度為1.5 m，采用C30強(qiáng)度混凝土?xí)r可滿足工作面留巷的穩(wěn)定要求。

（2）通過建立力學(xué)模型，基于頂板破斷條件，分析可得采用C30強(qiáng)度混凝土?xí)r可達(dá)到基本頂頂板發(fā)生被動破斷，實(shí)現(xiàn)成功留巷。

（3）結(jié)合沿空留巷幫部變形分析和頂板破斷位置影響理論分析可得N1202工作面頂板破斷未對留巷造成太大影響，幫部變形量最大部分僅為0.04 m，留巷成功可行。

（4）在N1202工作面沿空留巷實(shí)際支護(hù)應(yīng)用中，采用充填體寬度為1.5 m 的C30 強(qiáng)度混凝土支護(hù)時表現(xiàn)出了良好的支護(hù)效果。