充填開采充實率對沿空留巷結構穩定影響研究

焦殿志，吳曉剛，周 楠

(1.皖北煤電公司五溝煤礦，安徽 淮北 234000；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221116)

無煤柱沿空留巷技術是沿采空區邊緣重新維護上一區段回采巷道供下區段使用的技術。隨著我國一些礦區資源不斷減少，無煤柱沿空留巷技術對于提高煤炭資源采出率尤為重要[1]。

隨著該技術不斷發展，已應用于不同開采條件的煤礦。國內外學者也進行了大量的基礎研究[2-5]，如李迎富等研究了沿空留巷上覆巖層關鍵塊穩定性力學分析及巷旁充填體寬度的確定；闞甲廣等對留巷充填區域頂板承載性能進行了研究；謝文兵等研究了綜放沿空留巷圍巖控制機理，分析了留巷前巷道支護形式、充填體寬度、充填方式以及端頭不放頂煤長度等對綜放沿空留巷的作用和效果；馬立強等在綜放巷內充填原位沿空留巷技術基礎上，根據巖層控制的關鍵層理論，建立綜放巷內充填原位沿空留巷圍巖結構力學模型，推導出不同地質條件下巷內充填體的支護阻力計算公式，并對圍巖與巷內充填體之間的相互作用機制進行深入分析；黃艷利等結合井下礦壓監測，研究了綜合機械化固體充填采煤巷旁充填原位沿空留巷技術，以及兩幫位移、頂板下沉隨工作面推進的變化關系。

近幾年，隨著綜合機械化固體密實充填采煤技術研發，無煤柱沿空留巷技術也得到了應用，但該方面的基礎研究較少。本文將研究采空區充實率[6]對沿空留巷結構穩定性的影響關系，為無煤柱沿空留巷技術在綜合機械化固體密實充填采煤面的應用提供理論依據。

1 充填采煤面沿空留巷方案

傳統垮落法管理頂板條件下，工作面沿空留巷為工作面運輸平巷或回風平巷按正常設計斷面掘進，在工作面回采期間實行沿空留巷。根據巖層控制的關鍵層理論，沿空留巷時，在采空區靠巷道一側進行充填形成條帶，整個充填帶在采空區里面，不受原巷內支護的保護，如圖1(a)所示。對于綜合機械化固體充填采煤工作面，由于采空區實現了全斷面固體密實充填，隨著工作面的推進，上覆巖層壓力由未開采前的實體煤轉移至開采后的煤壁、綜采液壓支架及采空區充填體，基本頂和關鍵層僅彎曲下沉而無破斷。相比傳統垮落法管理頂板開采條件，綜合機械化固體密實充填[7-8]限制了基本頂關鍵層彎曲下沉中的回轉變形，為工作面沿空留巷提供了良好的實施條件。基于此，設計固體充填采煤沿空留巷方案，即隨著充填工作面向前推進，充采工藝與留巷工藝同時進行，在端頭支架的掩護下，在靠采空區充填體側通過人工堆砌矸石墻，并采用錨桿、鋼帶、鋼梁及金屬網等支護方式進行加強保護，形成巷旁充填體，與巷道原支護體系主動支護頂板，共同維持巷道的作業空間，實現固體充填采煤沿空留巷，如圖1(b)所示。

圖1 沿空留巷圍巖結構圖

2 充填采煤面沿空留巷圍巖支護結構力學模型

固體密實充填采空區頂板不發生破斷，只發生彎曲變形。基于此，建立充填采煤沿空留巷圍巖支護結構力學模型[9-10]。梁左端起點表示采空區一側煤壁，梁長L表示工作面長度的一半。k1和k2分別為矸石墻和充填體的彈性模量。如圖2所示。

圖2 密實充填沿空留巷力學模型圖

由于巷道小，結構對整個頂板的大結構而言，影響力可以忽略。將模型簡化，如圖3所示。

圖3 密實充填沿空留巷力學模型圖(簡化)

根據Winkler彈性地基梁假設：地基表面任意一點的沉降與該點單位面積上所受的壓力成正比

p=k2ω

(1)

(2)

式中，k2為地基系數；σ0為原巖應力；e為充實率；h為采高。

通過受力分析，得出頂板撓度關系式

(3)

對上述方程進行求解，可以得出撓度方程為：

φ3-

(4)

由式(4)可知，固體密實充填充填體的彈性地基模量，隨著充實率的增加而加大。充實率對頂板下沉有直接影響，所以影響充填采煤沿空留巷圍巖變形的關鍵因素之一是充實率。

3 充實率與沿空留巷圍巖應力應變關系

3.1 數值分析模型

為了解充實率對沿空留巷圍巖的影響關系，采用離散元數值模擬軟件UDEC，分別對固體密實充填充實率為40%、60%、85%、90%時進行模擬，分析充實率對沿空留巷結構穩定性影響。采用的巖層物理力學參數見表1。

表1 巖層參數表

建立相應的數值分析模型，如圖4所示。

圖4 數值模擬模型圖

3.2 模擬結果分析

模擬得到巷道頂底板移近量如圖5所示，兩幫移近量如圖6所示，巷旁充填體的最大垂直應力變化如圖7所示。

圖5 巷道頂底板移近量變化曲線

圖6 巷道兩幫移近量變化曲線

圖7 巷旁充填體最大垂直應力變化曲線

通過對固體密實充填沿空留巷充不同充實率時的模擬計算，得出矸石墻中最大下沉位移，在充實率分別為40%、60%、85%和90%時，分別為1151mm、541mm、100mm和72mm；最大水平位移分別為1340mm、1072mm、102mm、59mm；最大垂直應力分別為11.83MPa、9.3MPa、7.5MPa、5.2MPa。

由此可知，提高充實率能有效控制巷道圍巖變形，同時能改善圍巖應力場分布特征，降低沿空留巷承載力，從而減小留巷難度。當采空區充實率達到85%時，沿空留巷巷道頂底板移近量最大為96mm，兩幫最大移近量為128mm。

4 工程應用

4.1 沿空留巷支護方案

皖北煤電五溝礦為了提高開采上限，采用了綜合機械化矸石充填采煤技術，CT101工作面為首個充填工作面，面長約為100m。其主采煤層為10煤，埋深301～326m，煤層傾角6°，煤層厚度3.5m，一次采全高。直接頂板為淺灰色粉、細砂巖，厚約5.8m；直接底板為泥巖，含碳質，厚約1m；老底為條帶狀粉細砂巖(互層)，厚約8.22m。

為了提高煤炭采出率，在保證采空區充實率達到85%條件下，采用了“壘砌矸石墻+錨栓”沿空留巷支護方案，其中，巷旁壘砌矸石墻寬度為3000mm，高度接頂接底，并使用規格為Φ20mm×3300mm雙頭螺紋式錨桿加網、鋼筋梯和鋼帶進行固定。

4.2 應用效果

五溝煤礦充填面自開采以來，共計推進約200m，為了驗證充填采煤面沿空留巷的效果，在工作面開采期間，對工作面后方巷道變形進行了監測，實測結果如圖8所示。

從圖8可以看出，在工作面剛推過時，兩幫移近量較大，在0～10m范圍內變形速度較大，最高達到12mm/d，其后迅速減小；40m以后，矸石墻基本沒有變形，其總的變形量不超過120mm。

圖8 留巷期間工作面后方巷道變形

5 結論

1)基于固體密實充填采煤原理，建立了沿空留巷圍巖結構力學模型，通過分析得出，充實率是影響頂板下沉的關鍵因素。而控制頂板下沉，保證圍巖結構穩定是沿空留巷成功的前提。

2)通過數值模擬，分析不同充實率情況下固體密實充填采煤沿空留巷圍巖結構的穩定性，得出在原有支護方案不變時，充實率的增大能有效控制沿空留巷變形，和矸石墻承受的支撐力。

3)錨桿、鋼帶、鋼筋梯梁及金屬網的組合支護技術對巷旁充填體實施加固，可提高充填體的整體強度、穩定性及抗變形能力。

[1] 張東升，繆協興，馮光明，等.綜放沿空留巷充填體穩定性控制[J].中國礦業大學學報，2003，32(3)：232-235.

[2] 張吉雄，吳強，黃艷利，等．矸石充填綜采工作面礦壓顯現規律[J]．煤炭學報， 2010，35 (8)：1-4．

[3] 謝文兵，殷少舉，史振凡． 綜放沿空留巷幾個關鍵問題的研究[J]．煤炭學報，2004，29(2):146-149．

[4] 繆協興,張吉雄,郭廣禮.綜合機械化固體充填采煤方法與技術研究[J].煤炭學報，2010，35(1):1-6.

[5] 黃艷利，張吉雄，張強.綜合機械化固體充填采煤原位沿空留巷技術[J].煤炭學報，2011,10(36):1624-1628.

[6] 繆協興,張吉雄,郭廣禮.綜合機械化固體廢棄物充填采煤方法與技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2010.

[7] 周華強,侯朝炯,孫希奎,等.固體廢物膏體充填不遷村采煤[J].中國礦業大學學報,2004,33(2):154-158.

[8] 繆協興,錢鳴高.中國煤炭資源綠色開采研究現狀與展望[J].采礦與安全工程學報，2009,26(1):1-14.

[9] 龍馭球.彈性地基梁的計算[M].北京：人民教育出版社，1982.

[10] 鄒友峰,鄧喀中,馬偉民.礦山開采沉陷工程[M].徐州：中國礦業大學出版社,2003.