大断面沿空留巷巷旁充填体宽度合理化研究

2016-01-11罗中

采矿与岩层控制工程学报 2015年1期

大断面沿空留巷巷旁充填体宽度合理化研究

罗中

(山西焦煤集团西山煤电屯兰矿，山西古交 030206)

[摘要]针对某一特定大断面沿空留巷巷旁充填体的宽度设计问题，分析了留巷覆岩运动规律，计算得出基本顶断裂位置及关键块体B的长度，进而建立5个不同充填宽度的数值分析模型，通过巷道围岩移近量及塑性区宽度的对比分析，得出充填体宽度的合理值为2.5m。留巷实践结果表明：采用该充填宽度后实测沿空巷道顶底板移近量在30~170mm之间，两帮移近量在0~250mm之间，巷道围岩控制效果良好，达到了预期的控制目的。

[关键词]大断面巷道；沿空留巷；充填体宽度；数值模拟；围岩控制

[中图分类号]TD353.7[文献标识码]B

[收稿日期]2014-05-19

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.021

[作者简介]罗中(1971-)，男，四川叙永人，工程师，长期从事井巷工程设计和综采工作。

Rational Width of Stowing Body in Large-section Roadway Retained along Gob

[引用格式]罗中.大断面沿空留巷巷旁充填体宽度合理化研究[J].煤矿开采，2015，20(1)：71-74.

沿空留巷是我国回采巷道支护技术的重要发展方向，该技术不仅可以实现无煤柱开采、提高煤炭资源采出率，还具有大幅减少矿井巷道掘进量及治理工作面瓦斯超限等优点，但同时由于要经历巷道掘进及相邻两个工作面回采等多个强烈采掘影响期，导致巷道围岩变形量和破坏范围显著增大，巷道维护极为困难[1-3]。近年来我国沿空留巷围岩控制普遍采用膏体充填法进行巷旁支护，其关键参数之一即为充填体宽度，因而基于特定的巷道高度和巷旁充填工艺，如何在工程实践之前合理设计巷旁支护体的宽度成为制约沿空留巷成败的关键[4-5]。针对这一关键问题，综合运用理论计算及数值模拟等研究手段，对大断面沿空留巷巷旁充填体的宽度进行合理化研究，并在屯兰矿18205工作面进行了实际工程应用。

1工程概况

工程实践地点为18205工作面，主采8号煤层，煤层平均厚度3.29m，平均倾角5°，工作面倾向长度为211m；直接顶为2.42m的石灰岩，基本顶为4.21m的粉砂岩，直接底为1m左右的泥岩，老底为2m的中砂岩；18205工作面采用两巷加一条留巷的巷道布置方式，三巷平行布置，分别为胶带巷、轨道巷和留用18207轨道巷，其中18205轨道巷为进行一次沿空留巷的试点巷道，设计高度3.5m，宽度5.5m，断面19.25m2，为典型的大断面巷道，支护方式为锚杆索配合托架及金属网支护。

18205工作面采用走向长壁后退式一次采全高全部垮落综合机械化采煤法，预采用混凝土膏体材料进行巷旁充填。工作面回采后出于考虑留巷断面的利用率，并充分利用原巷道的支护作用来提高充填体的切顶能力，巷道宽度由原来的5.5m缩至4.6m，故充填墙体内错入轨道巷的宽度应为0.9m，其余部分则充填在采空区内。

2沿空留巷围岩运动规律分析

沿空留巷技术实施发生在上区段工作面回采之后，巷道顶板的下沉破坏必然受到采空区上覆岩层沉降总规律的制约，与基本顶关键块体B的回转运动密切相关(图1)，顶板下沉量主要由煤帮侧下沉量、基本顶岩层回转引起的下沉量及顶板岩层扩容变形量组成。在沿空巷道经历的数个采掘影响期中，上区段工作面推过后0~60m范围内顶板下沉速度快，下沉量占最终下沉量的80%左右，为岩层强烈沉降期，因而此阶段应为沿空留巷围岩控制的关键时期，下文将重点对该阶段的围岩移动展开模拟分析。

图1　沿空留巷围岩结构模型

巷旁充填体对留巷围岩的控制主要体现在对覆岩的切顶作用方面，以使直接顶及时冒落在采空区内支撑基本顶关键块体B，减少上覆岩层的弯曲下沉，进而降低巷道顶板下沉量。对于已选定混凝土膏体材料进行巷旁充填的18205轨道巷，充填墙体的宽度值成为最为关键的控制参数，必须对其合理值进行深入研究。为利于下文巷旁充填体宽度的数值模拟分析，须对留巷围岩的几个关键参数进行分析计算。

2.1　基本顶断裂位置

沿空留巷上方基本顶断裂位置的不同，对巷道的围岩稳定性状况有很大影响，综采工作面倾向方向基本顶一般深入至煤帮内部断裂，断裂位置距采空侧煤壁的距离X0为：

(1)

式中，M为工作面采高，m；A为侧压系数；φ0为煤体内摩擦角，(°)；C0为煤体黏聚力，MPa；K为应力集中系数；γ为上覆岩层平均容重，MN/m3；H为巷道埋深，m；PZ为上区段工作面巷道煤帮的支护阻力，MPa。依据18205工作面实际条件，代入以上各参数值，求得X0≈2m，即本工作面倾向方向上，基本顶在深入巷道煤帮大约2m的位置发生断裂。

2.2　关键块体B长度 l

根据研究，当工作面长度S与周期来压步距L比值大于6时，可以认为工作面基本顶的侧向断裂跨度与基本顶的周期来压步距近似相等。18205工作面周期来压步距平均值L约为12m，工作面倾向长度S为211m，S/L≈17.58>6，故可以认为关键块体B长度l=L=12m，下文数值模型基本顶块体长度宜设计为12m。

3充填体合理宽度数值模拟研究

3.1　UDEC数值模型建立

结合18205工作面实际地质条件，采用UDEC数值软件模拟沿空留巷巷道围岩变形情况，设计5个模拟方案，即方案1，2，3，4和5，对应的充填体宽度分别为3.5m，3.0m，2.5m，2.0m和1.5m。

建立模型尺寸长260m，高50m，上边界施加等效于上覆岩层自重的均布载荷10MPa，两侧固定水平位移，下边界固定垂直位移。为提高计算精度和效率，建模时做到块体网格分布疏密有秩，越靠近回采空间块体越细化，其中煤层块度为0.5m×0.5m，直接顶块度为1.0m×0.5m，基本顶块度依据关键块体B的长度设计为12m×4m。模型建立时沿巷道边缘布置4条测线(充填后巷道右帮的测线布置在充填体边缘)，监测并记录巷道围岩位移量。围岩本构关系采用Mohr-Coulomb模型。

3.2　数值模拟结果分析

依所建立的数值模型，运算至初始平衡后进行巷道开挖及支护，运算平衡后，巷道围岩塑性区及锚杆索支护效果如图2(a)所示；然后模拟工作面回采及沿空巷道的巷旁充填并运算至平衡，方案1~5所对应的充填效果及围岩塑性区如图2(b)~2(f)所示。

图2　沿空留巷巷旁充填效果

由图2可知：充填体宽度在2.5m及以上时其自身稳定性较好，巷道断面控制良好，而充填体宽度低于2.5m时充填体受基本顶回转下沉产生的集中应力而严重失稳变形，巷道断面收缩率过大；充填方案1~5对应的巷道煤帮塑性区宽度分别为3m，3.5m，3.8m，4.5m和5.5m，表明随着充填体宽度的减小，巷道顶板回转下沉对煤体扰动范围增大，过窄的充填体宽度不利于巷道煤帮的稳定性控制；图2(e)和图2(f)充填体右侧的顶板冒落状态较差，表明过窄的充填体宽度不能提供足够的切顶力进行有效切顶，而顶板冒落不及时又恶化了充填体及巷道围岩的受力状态。

提取测线记录数据作顶底板移近量曲线、两帮移近量曲线，如图3、图4所示。

图3　巷道顶板移近量曲线

图4　巷道两帮移近量曲线

由图3可知：5个方案的顶底板移近量沿巷道宽度范围从左向右逐渐增大，靠采空区侧与靠煤帮侧移近量的比值介于2~4之间，表明巷道顶板下沉量受上方基本顶关键块回转下沉影响显著；方案1~5对应的顶底板移近量最大值占巷道高度的比例分别为9%，14%，16%，21%和26%，充填体宽度低于2.5m时顶底板移近量占巷道高度的比例过大。

由图4可知，5个方案的两帮移近量沿巷道高度范围从上下至中部逐渐增大，表明巷道两帮移近量主要是由于煤帮及支护体受压后向巷道空间挤压变形造成的；方案1~5对应的两帮移近量最大值占巷道宽度的比例分别为5%，7%，8%，10%和12%，充填体宽度低于2.5m时两帮移近量占巷道宽度的比例过大。

由方案1~5顶底板移近量平均值、两帮移近量平均值及煤帮塑性区宽度值，作图5所示曲线关系，当充填体宽度由3.5m减至2.5m时，位移曲线和塑性区曲线较平缓，而充填体宽度由2.5m减至1.5m时，位移曲线和塑性区曲线较陡，表明充填体宽2.5m是充填效果变化的界限值。

图5　巷道围岩移近量及煤帮塑性区宽度曲线

由以上数值模拟结果可知，充填体宽度设计为2.5m左右较为合理。同时充填体宽度设计须考虑充填成本，如果充填体的宽度设计为2.0m，则充填体的最终强度需要达到33MPa，导致材料的成本偏高；如果充填墙体的宽度设计为3.0m，则每个充填步距需要充入的料浆就达到25.2m3，充填工序耗时将达到3h，对后续的回采工作造成影响。所以，最终设计的充填体宽度为2.5m，不仅能使充填后巷道围岩保持良好的稳定性，也能把充填成本控制在合理的范围内。

4工程实践

4.1　沿空留巷巷旁充填工艺及参数

18205工作面轨道巷充填材料选用膏体混凝土，其主要成份是：硅酸盐水泥、碎石、砂子、粉煤灰、添加剂和水。根据巷旁充填体龄期指标要求，研制了适合本工作面的膏体混凝土充填料，充填料各龄期强度指标及实测强度如表1所示。

表1　充填料各龄期抗压强度值　MPa

确定巷旁充填宽度2.5m，充填体在轨道巷内的宽度为0.9m，在采空区内的宽度为1.6m，每个充填步距为2.4m，充填体积21m3，消耗充填材料45t左右，充填2.5h，准备收尾各1h。沿空留巷的充填施工工序包括以下6个方面：

(1)移架、架后支护、清理本工作面每移架3个步距，充填1次；如遇顶板破碎段，视现场情况可采取2个步距或1个步距充填1次。充填前，须将充填空间杂物清理干净，并将该空间顶底板整理平整。

(2)机械立模本工作面采用ZZHCY15000/20/35型巷旁充填侧模板支架、ZZHCY13400/22/35型巷旁充填后模板支架、YZM1880/22/35型液压支护模板，支架自行前移机械立模。

(3)充填材料的运输沿空留巷充填材料运到充填泵站储料场后通过专用螺旋给料机，输送到BSM1002-E型混凝土泵，再经过φ108mm充填管路输送至充填位置。

(4)充填检查确定混凝土充填泵工作状况正常，管路畅通后，方可进行材料的搅拌输送；进料要均匀连续，配水要严格控制水灰比；注意观察设备的工作压力和状况，管路堵塞立即停机处理。

(5)冲洗充填泵和充填管路充填工作完成后，清洗充填泵和充填管路。

(6)充填墙体凝固要保证不少于4h的凝固时间，确保承压能力达到2MPa以上，再移动充填支架及模板。

4.2　沿空留巷支护方案

4.2.1充填墙体外加固

在充填墙体上沿巷道走向布置3排2.6m长4组孔的φ14型托架，每2根托架进行对接，采用IV级左旋锚杆专用螺纹钢超高强预拉力锚杆、8号钢筋网联合支护，锚杆参数φ20-M22-1600mm，间排距900mm×800mm；在锚杆钢带钢筋网联合加固基础上，喷射薄层混凝土密封充填墙体表面，防止围岩风化，喷层厚度50mm。

4.2.2充填墙体内加固

在充填体内放置钢筋网对充填体自身进行加固，钢筋直径为8mm，钢筋网的方格尺寸为150mm×150mm，钢筋网规格为2250mm×3000mm。充填墙体内共放置5片钢筋网，垂直于轨道巷两帮和底板布置3片钢筋网，间距为1000mm，每片网距离两面模板各200mm；平行于轨道巷两帮布置2片钢筋网，并用铁丝使其与之前的3片钢筋网连成一体。对于充填体由于受力等原因可能产生的裂隙，需要采取注浆加固的措施，以防止采空区瓦斯的泄漏。

4.3　充填效果分析

沿留巷墙体设置观测站，测站编号为0~35号，对18205留巷巷道尺寸进行观测，主要对1月31日及2月26日之间巷道变形数据进行统计分析，得出沿空留巷巷道尺寸变化曲线，见图6，其中由于对观测站1~17号处留巷巷道进行了局部拉底，所以出现了后期巷道高度大于前期高度的情况。

图6　实测巷道尺寸变化曲线

通过现场实测数据可知：沿空留巷的顶板离层值通常为27mm左右，最大值为41mm，表明在首次采动的作用下沿空留巷的巷道顶板较为稳定，矿压显现比较平稳；沿空留巷巷道顶底板移近量30~170mm，两帮移近量0~250mm，巷道围岩变形量不大。以上实测数据表明本工程实践充填体宽度设计为2.5m，配合相应的充填材料强度及充填体内外加固方案是合理的。

5结论

(1)建立18205轨道巷沿空留巷围岩结构模型，得出基本顶在深入巷道煤帮大约2m的位置发生断裂，关键块体B的长度l近似等于工作面周期来压步距12m。

(2)根据数值模拟分析结果，充填体宽度低于2.5m时稳定性及切顶能力差，不利于巷道围岩控制；充填体宽度高于2.5m时围岩控制效果较好，但会造成充填材料及工时过多消耗，故充填体宽度设计为2.5m较为合理。

(3)现场实测沿空巷道的顶板离层值最大不超过41mm，顶底板移近量30~170mm，两帮移近量0~250mm，巷道围岩控制效果良好。

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