冀建華

（華陽(yáng)集團(tuán)新景公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

沿空留巷作為一種無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)，可以大幅度減少井下巷道掘進(jìn)工程量，并提高煤炭資源的回收率，但沿空留巷需承受2次采動(dòng)影響，其圍巖的穩(wěn)定性較難維護(hù)[1-3]。為此，眾多學(xué)者進(jìn)行了深入研究，并取得了較多的成果，如郝龍等[4]綜合運(yùn)用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，分析了不同充填體寬度下的圍巖變形演化規(guī)律，并確定出最佳充填體寬度為1.4 m；陳勇等[5]采用理論分析及數(shù)值模擬的方法，得出沿空留巷的支護(hù)方式不會(huì)影響基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)下沉；魏飛等[6]以堅(jiān)硬頂板條件下沿空留巷為背景，運(yùn)用理論分析及數(shù)值模擬研究得出充填體寬度，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

基于現(xiàn)有沿空留巷技術(shù)的研究成果，以新景煤礦3107綜采工作面沿空留巷為研究背景，利用理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，針對(duì)中厚煤層沿空留巷充填體的合理寬度進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)出合理的支護(hù)方案，并通過(guò)圍巖變形監(jiān)測(cè)對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，為類似工程實(shí)踐提供了參考。

1 工程概況

新景煤礦現(xiàn)主采3#煤層，煤層厚度為2.15～2.67 m，平均厚度2.36 m，煤層傾角2°～8°，平均傾角5°。煤層總體賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般含1層夾矸。新景煤礦采面上下順槽一直沿用25～30 m的寬煤柱護(hù)巷，大量的寬煤柱難以回收，使得煤炭資源損失嚴(yán)重。

為了盡量減少遺留煤柱的損失，礦方?jīng)Q定在3107綜采工作面進(jìn)行沿空留巷試驗(yàn)。該工作面傾向長(zhǎng)度172 m，走向長(zhǎng)度1 384 m，埋藏深度為496～671 m。工作面位于3#煤二采區(qū)南翼，東為3105工作面（已采），西為3109工作面（在掘），北隔采區(qū)大巷為3106工作面（未掘）。工作面具體位置如圖1所示，其中，3107工作面第一輔助進(jìn)風(fēng)巷為沿空留巷試驗(yàn)巷道。工作面煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

圖1 3107綜采工作面位置

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

2 巷旁充填體寬度的合理確定

2.1 數(shù)值模擬分析

（1）模型建立

根據(jù)3107工作面實(shí)際工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了不同充填體寬度的計(jì)算模型，模擬分析不同工況下巷道圍巖的變形情況。

所建模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=250 m×150 m×40 m；在模型上邊界施加8.9 MPa的垂直均布載荷，以模擬覆巖壓力，模型四周及下邊界采用位移邊界條件約束；模擬單元均遵循摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，為使得模擬結(jié)果更加精確，對(duì)模型沿空留巷區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。其中，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

（2）模型結(jié)果分析

不同充填體寬度下沿空留巷圍巖的變形量如圖2所示。

圖2 圍巖變形量與充填體寬度間的關(guān)系

由圖2可知，保持巷內(nèi)其他支護(hù)條件不變，充填體寬度從0.5 m增加到2.0 m時(shí)，巷道圍巖整體變形量呈減小趨勢(shì)，其中，頂?shù)装逡平繙p小了900 mm，兩幫移近量減小了800 mm。圍巖變形量在充填體寬度由0.5 m增大到1.0 m時(shí)的減小幅度較大；當(dāng)充填體寬度由1.0 m增大到1.2 m時(shí)，圍巖變形量的減小幅度降低；充填體寬度達(dá)到1.2 m后，繼續(xù)增加其寬度，對(duì)巷道圍巖變形量的減小已不再明顯。

由以上分析可以初步確定充填體寬度為1.2 m。

2.2 充填體強(qiáng)度驗(yàn)算

充填體采用C30混凝土柔模澆筑形成，為驗(yàn)證1.2 m寬度充填墻體強(qiáng)度能否滿足需求，通過(guò)分離巖塊對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證[7]。計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 分離巖塊法計(jì)算模型

根據(jù)分離巖塊法，充填體的載荷可用下式計(jì)算：

式中：q為充填體載荷，MPa；bB為充填墻體內(nèi)側(cè)至工作面主幫的距離，取4.2 m；x為充填墻體寬度，取1.2 m；bc為充填墻體采空區(qū)側(cè)懸頂距離，取0.4 m；γ為頂板分離巖塊容重，取26 kN/m3；h為工作面采高，取2.4 m；α為巖體內(nèi)摩擦角，取26°；θ為煤層傾角，取5°。

由式（1）計(jì)算的充填墻體所受載荷為1.3 MPa，取回采動(dòng)壓系數(shù)為3，則充填墻體所承受的圍巖壓力為5 013 kN/m。而依據(jù)GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，1.2 m寬的C30混凝土墻體承載能力為18 481 kN/m，遠(yuǎn)高于工作面回采時(shí)巷旁充填墻體所承受的載荷。因此，綜合數(shù)值模擬及理論計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)合理性，最終確定巷旁充填體寬度為1.2 m。

3 沿空留巷圍巖控制技術(shù)

3.1 巷內(nèi)支護(hù)

用于沿空留巷的巷道為3107工作面輔運(yùn)順槽，巷道為矩形斷面，凈高2.7 m，凈寬4.5 m，沿煤層頂板掘進(jìn)。巷道頂板采用φ20 mm×2 400 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿支護(hù)，其間排距為780 mm×850 mm，靠近兩幫的錨桿與垂線夾角15°施工，其余錨桿均垂直頂板施工；頂錨索的型號(hào)為φ17.8 mm×7 200 mm，間距2 340 mm，排距850 mm，均垂直頂板施工；主、副巷幫采用φ18 mm×1 800 mm的麻花錨桿支護(hù)，間排距800 mm×850 mm。具體支護(hù)形式如圖4所示。

圖4 支護(hù)斷面

3.2 巷旁支護(hù)

研究表明，沿空留巷巷旁支護(hù)的最佳時(shí)機(jī)為頂板給定變形結(jié)束后[8]，因此，隨著3107工作面的回采推進(jìn)，在滯后工作面10 m處開(kāi)始施工充填墻體并進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。其中充填墻體的寬度為1.2 m，留巷寬度為4.2 m，高度為2.7 m。充填墻體材料采用C30混凝土，每2 m柔性掛模為一個(gè)充填模塊進(jìn)行澆筑，形成墻體。

為保證回采期間沿空留巷充填墻體的穩(wěn)定性，防止其出現(xiàn)較大的橫向變形，采用“錨栓+鋼筋網(wǎng)+鋼帶”聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)，墻體每排預(yù)置4個(gè)錨栓并用鋼帶連接，間排距為750 mm×1 000 mm。加強(qiáng)支護(hù)形式如圖5所示。

圖5 巷旁充填墻體支護(hù)結(jié)構(gòu)

4 應(yīng)用效果分析

4.1 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

為分析沿空留巷充填體寬度及圍巖控制技術(shù)的效果，在留巷段采用十字布點(diǎn)法對(duì)圍巖的表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 沿空留巷圍巖變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖6可知。沿空留巷巷道圍巖的變形大致可分為三個(gè)階段：

（1）在滯后工作面0～20 m范圍為第一階段，此時(shí)基本頂未發(fā)生破斷，在巷旁充填體及單體支柱的支護(hù)下，巷道圍巖的變形速度較小，最大為8 mm/d。

（2）在滯后工作面20～80 m范圍為第二階段，此時(shí)基本頂發(fā)生破斷并劇烈回轉(zhuǎn)下沉，導(dǎo)致巷道圍巖的變形幅度較大。其中，頂?shù)装遄畲笠平繛?80 mm，最大移近速度為24 mm/d；兩幫最大移近量為198 mm，最大移近速度為13 mm/d。

（3）在距工作面80 m以后的范圍為第三階段，此時(shí)上覆巖層已形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，圍巖的變形逐漸趨于穩(wěn)定。

綜上分析可知，留巷期間巷道圍巖的變形量較小，滿足工作面正常生產(chǎn)需求。

4.2 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

在構(gòu)筑混凝土充填墻體時(shí)，在墻體靠近頂、底板處各預(yù)埋一根短錨桿，并在上下兩根短錨桿端部掛測(cè)繩AB，通過(guò)觀測(cè)繩AB長(zhǎng)度的變化對(duì)充填墻體的縱向變形進(jìn)行分析；在充填墻體中部預(yù)埋1跟長(zhǎng)水平鋼桿CD，通過(guò)觀測(cè)該鋼桿的外露長(zhǎng)度變化，分析充填墻體的橫向變形。測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。

圖7 巷旁充填體變形測(cè)點(diǎn)布置

充填墻體的變形觀測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 巷旁充填體變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖8可知，充填墻體在距工作面10 m范圍內(nèi)基本未發(fā)生明顯變形；在距工作面20～60 m范圍，基本頂破斷并回轉(zhuǎn)下沉，導(dǎo)致充填體變形量逐漸增大，該階段墻體的橫向變形量最大為161 mm，縱向變形量最大為103 mm；在距工作面60～90 m時(shí)，充填墻體的變形逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)滯后工作面距離達(dá)到90 m以上時(shí)，充填墻體基本不再發(fā)生明顯變形。由此可知，充填墻體的寬度及現(xiàn)有支護(hù)技術(shù)能夠滿足沿空留巷的工程要求。

5 結(jié)論

1）根據(jù)新景礦3107工作面的工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)沿空留巷不同充填體寬度下的巷道圍巖變形情況進(jìn)行了分析，并結(jié)合理論分析對(duì)充填墻體的承載能力進(jìn)行了驗(yàn)算，最終確定出合理的充填體寬度為1.2 m。

2）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件對(duì)沿空留巷的支護(hù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中，巷旁充填體采用C30混凝土澆筑形成，并用“錨栓+鋼筋網(wǎng)+鋼帶”聯(lián)合支護(hù)的形式進(jìn)行加強(qiáng)控制。

3）將該技術(shù)方案應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，結(jié)果表明：留巷期間，巷道圍巖頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為280 mm、198 mm；充填墻體的縱向及橫向變形量最大值分別為103 mm及161 mm，滿足工作面正產(chǎn)生產(chǎn)需求。