涼水井煤礦沿空留巷可行性及參數數值模擬研究

司文+張慧君

摘 要：該文對涼水井煤礦實施沿空留巷的可行性進行了研究，結合涼水井煤礦的實際地質條件，通過數值模擬研究巷旁充填體的寬度及巷道支護參數，對沿空留巷的實施提供了可靠的理論指導基礎，為節約煤炭資源并提高經濟效益指明了方向。

關鍵詞：沿空留巷 ?巷旁充填 ?支護參數 ?FLAC5.0 ?數值模擬

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0096-02

1 涼水井煤礦開采現狀

涼水井煤礦主采煤層為4-2煤層，厚度0.30～4.20，平均厚度2.98 m，含夾矸0～3層，夾矸厚度0.06～0.75 m，一般厚度0.20 m左右，巖性多為泥巖和粉砂巖。目前4-2煤工作面設計長度為240 m，相鄰工作面間距為20 m，回采過程中實際留設煤柱14.6 m。煤層頂底板情況如表1所示。

2 實行沿空留巷的必要性

（1）4-2煤層為涼水井煤礦主采煤層，煤炭賦存條件穩定且儲量豐富，采取沿空留巷后可以減少14.6 m煤柱中的煤炭損失，提高涼水井煤礦原煤回采率，增加了煤炭產量，經濟效益明顯。

（2）沿空留巷可以少掘一條順槽，不僅降低掘進成本，而且加快了工作面的布置，有助于緩解采掘接替緊張，為綜采工作面接替創造條件。

（3）采取沿空留巷后，由于沒有了區段隔離煤柱，避免了在隔離煤柱處形成高應力集中區，為下部薄煤層開采創造了良好的條件。

3 沿空留巷的主要形式

為了回收傳統采礦方式中留設的保安煤柱，采用一定的技術手段將上一區段的順槽重新支護留給下一個區段使用，這種留巷的做法是沿著采空區邊緣在原順槽位置保留就稱為沿空留巷。

3.1 砌體墻法

主要是緊靠采空區砌筑一道隔離采空區的密閉墻體。此方法操作工序簡單，而且容易實現，但該方法存在的問題為不能解決墻體與頂板的接頂問題，往往會造成頂板過量離層使得支護效果不佳。

3.2 高水材料高效充填支護法

隨工作面在采空區所在一側構筑巷幫充填體形成巷幫支護帶。該支護方法一般使用材料強度低，用量大且不能有效控制直接頂的離層和及時切斷直接頂，不利于保持巷道的穩定性。同時，由于成本高，支護效果差，現場實際應用很少見。

3.3 現澆混凝土隔墻法

在采空區一側澆筑混凝土隔離墻，此方法適應性廣，承載力高，能夠形成足夠的切頂強度，安全可靠，留巷工序可以實現高度的機械化，可以采用大型自移式沿空留巷充填支架，提高沿空留巷的安全性，現在已經被廣泛接受。

3.4 封閉模鑄砌體混凝土法

封閉注漿指的是將砌體干砌成到一個封閉的袋模具內形成一個袋模包裹的干砌體結構，然后通過高壓將水泥漿體注入這個封閉到袋模中的干砌體的細小空隙內，形成一個具有強力支撐力的新的混凝土結構，砌體預制混凝土塊可以對頂板提供及時強大的被動初撐力，有效減小了混凝土墻體的厚度，留巷施工快速，效果直觀。由于封閉模鑄砌體技術具有施工方便簡單，支護強度高，密閉性好，設備投資小的優點，任何礦都很容易上馬，因此，此技術得到了普遍的應用。

涼水井煤礦煤層埋深較淺，巷道受較小的地應力影響，不會產生高壓蠕變、流變等失穩現象，而且巷道頂底板均為厚砂巖巖層，圍巖強度大且結構完整，由于具有厚且堅硬的直接頂，可以在采空區切頂垮落后形成具有較高強度的支撐梁結構，為沿空留巷創造了良好的條件。

4 沿空留巷可行性及參數的數值模擬研究

采用FLAC5.0數值模擬軟件對沿空留巷寬度進行研究，從而為留巷施工參數設計提供指導性建議。

4.1 數值模型的建立

沿空留巷巷內采用錨桿支護作為基本支護形式，因此巷道開挖后采用錨桿（索）的支護形式進行數值計算分析，具體支護參數為：頂板錨桿7根，長度1.8 m，直徑18 mm，錨索3根，長度7.5 m，直徑15.24 mm，右側幫部錨桿3根，長度1.8 m，直徑18 mm。

分別對沿空留巷巷旁充填體寬度1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m進行數值模擬計算。

4.2 數值模擬結果分析

在數值模擬計算過程中選取了巷道四周中點為位移監測點，對不同充填體寬度條件下巷道頂底板及兩幫位移做了重點監測。

3 m的巷旁充填體寬度為沿空留巷成功與否的臨界寬度，充填體寬度小于3 m時，巷道頂板下沉劇烈，充填墻體坍塌破壞;充填體寬度大于3 m時，巷道頂板得到明顯控制，巷道整體結構完整，并且隨著巷旁充填體寬度的進一步增加，巷道圍巖位移量變化微小，對增強巷道穩定性沒有實質性進展。

隨著巷旁充填體寬度的增加，實體煤一側的壓力逐漸降低，同樣以3 m寬度為臨界寬度，充填體寬度小于3 m時，實體煤一側壓力出現集中應力峰值，而充填體寬度大于3 m時，實體煤一側應力集中現象消失。

沿空留巷成功與否關鍵在于巷旁充填體的強度是否足夠，增加巷旁充填體的寬度有利于回采后巷道的穩定，但是當充填體達到一定寬度以后，繼續加大充填體的寬度對維護巷道沒有根本性作用。

5 結語

（1）采用沿空留巷技術可以提高原煤回采率，增加煤炭產量，同時由于不留區段隔離煤柱，降低了下部薄煤層開采集中應力，為下部薄煤層開采創造了有利條件，在涼水井煤礦實施沿空留巷具有必要性。

（2）涼水井煤礦的頂板以砂巖為主，圍巖結構穩定且具有較高強度，為沿空留巷的實施提供了有利條件。

（3）數值模擬結果顯示：3 m的巷旁充填體寬度為沿空留巷成功與否的臨界寬度，充填體寬度小于3 m時，巷道頂板下沉劇烈，充填墻體坍塌破壞;充填體寬度大于3 m時，巷道頂板得到明顯控制，此結論對涼水井煤礦沿空留巷設計參數提供了指導性建議。

（4）沿空留巷成功的關鍵在于巷旁充填體的強度是否足夠，同時采用高強、高預應力支護方式對巷道及時進行主動支護，提高巷道圍巖整體完整性和強度，有利于留巷后期巷道的整體穩定。

參考文獻

[1] 柏建彪，侯朝炯.復合頂板極軟煤層巷道錨桿支護技術研究[J].巖石力學與工程學報，2001，20（1）：53-56.

[2] 張東升，繆協興，茅獻彪.綜放沿空留巷頂板活動規律的模擬分析[J].中國礦業大學學報，2001（3）：261-264.

[3] 王衛軍，李樹清.深井煤層巷道圍巖控制技術及試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2005（10）：2102-2107.

[4] 張農，李桂臣，許興亮.泥質巷道圍巖控制理論與實踐[M].徐州中國礦業大學出版社，2011.

[5] 張農，王成，高明仕.淮南礦區深部煤巷支護難度分級及控制對策[J].巖石力學與工程學報，2009，28（12）：2421-2428.

[6] 康紅普，林健，吳擁政.全斷面高預應力強力錨索支護技術及其在動壓巷道中的應用[J].煤炭學報，2009，34（9）：1153-1159.

[7] 張農，李學華，高明仕.迎采動工作面沿空掘巷預拉力支護及工程應用[J].巖石力學與工程學報，2004，22（12）：2100-2105.endprint

摘 要：該文對涼水井煤礦實施沿空留巷的可行性進行了研究，結合涼水井煤礦的實際地質條件，通過數值模擬研究巷旁充填體的寬度及巷道支護參數，對沿空留巷的實施提供了可靠的理論指導基礎，為節約煤炭資源并提高經濟效益指明了方向。

關鍵詞：沿空留巷 ?巷旁充填 ?支護參數 ?FLAC5.0 ?數值模擬

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0096-02

1 涼水井煤礦開采現狀

涼水井煤礦主采煤層為4-2煤層，厚度0.30～4.20，平均厚度2.98 m，含夾矸0～3層，夾矸厚度0.06～0.75 m，一般厚度0.20 m左右，巖性多為泥巖和粉砂巖。目前4-2煤工作面設計長度為240 m，相鄰工作面間距為20 m，回采過程中實際留設煤柱14.6 m。煤層頂底板情況如表1所示。

2 實行沿空留巷的必要性

（1）4-2煤層為涼水井煤礦主采煤層，煤炭賦存條件穩定且儲量豐富，采取沿空留巷后可以減少14.6 m煤柱中的煤炭損失，提高涼水井煤礦原煤回采率，增加了煤炭產量，經濟效益明顯。

（2）沿空留巷可以少掘一條順槽，不僅降低掘進成本，而且加快了工作面的布置，有助于緩解采掘接替緊張，為綜采工作面接替創造條件。

（3）采取沿空留巷后，由于沒有了區段隔離煤柱，避免了在隔離煤柱處形成高應力集中區，為下部薄煤層開采創造了良好的條件。

3 沿空留巷的主要形式

為了回收傳統采礦方式中留設的保安煤柱，采用一定的技術手段將上一區段的順槽重新支護留給下一個區段使用，這種留巷的做法是沿著采空區邊緣在原順槽位置保留就稱為沿空留巷。

3.1 砌體墻法

主要是緊靠采空區砌筑一道隔離采空區的密閉墻體。此方法操作工序簡單，而且容易實現，但該方法存在的問題為不能解決墻體與頂板的接頂問題，往往會造成頂板過量離層使得支護效果不佳。

3.2 高水材料高效充填支護法

隨工作面在采空區所在一側構筑巷幫充填體形成巷幫支護帶。該支護方法一般使用材料強度低，用量大且不能有效控制直接頂的離層和及時切斷直接頂，不利于保持巷道的穩定性。同時，由于成本高，支護效果差，現場實際應用很少見。

3.3 現澆混凝土隔墻法

在采空區一側澆筑混凝土隔離墻，此方法適應性廣，承載力高，能夠形成足夠的切頂強度，安全可靠，留巷工序可以實現高度的機械化，可以采用大型自移式沿空留巷充填支架，提高沿空留巷的安全性，現在已經被廣泛接受。

3.4 封閉模鑄砌體混凝土法

封閉注漿指的是將砌體干砌成到一個封閉的袋模具內形成一個袋模包裹的干砌體結構，然后通過高壓將水泥漿體注入這個封閉到袋模中的干砌體的細小空隙內，形成一個具有強力支撐力的新的混凝土結構，砌體預制混凝土塊可以對頂板提供及時強大的被動初撐力，有效減小了混凝土墻體的厚度，留巷施工快速，效果直觀。由于封閉模鑄砌體技術具有施工方便簡單，支護強度高，密閉性好，設備投資小的優點，任何礦都很容易上馬，因此，此技術得到了普遍的應用。

涼水井煤礦煤層埋深較淺，巷道受較小的地應力影響，不會產生高壓蠕變、流變等失穩現象，而且巷道頂底板均為厚砂巖巖層，圍巖強度大且結構完整，由于具有厚且堅硬的直接頂，可以在采空區切頂垮落后形成具有較高強度的支撐梁結構，為沿空留巷創造了良好的條件。

4 沿空留巷可行性及參數的數值模擬研究

采用FLAC5.0數值模擬軟件對沿空留巷寬度進行研究，從而為留巷施工參數設計提供指導性建議。

4.1 數值模型的建立

沿空留巷巷內采用錨桿支護作為基本支護形式，因此巷道開挖后采用錨桿（索）的支護形式進行數值計算分析，具體支護參數為：頂板錨桿7根，長度1.8 m，直徑18 mm，錨索3根，長度7.5 m，直徑15.24 mm，右側幫部錨桿3根，長度1.8 m，直徑18 mm。

分別對沿空留巷巷旁充填體寬度1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m進行數值模擬計算。

4.2 數值模擬結果分析

在數值模擬計算過程中選取了巷道四周中點為位移監測點，對不同充填體寬度條件下巷道頂底板及兩幫位移做了重點監測。

3 m的巷旁充填體寬度為沿空留巷成功與否的臨界寬度，充填體寬度小于3 m時，巷道頂板下沉劇烈，充填墻體坍塌破壞;充填體寬度大于3 m時，巷道頂板得到明顯控制，巷道整體結構完整，并且隨著巷旁充填體寬度的進一步增加，巷道圍巖位移量變化微小，對增強巷道穩定性沒有實質性進展。

隨著巷旁充填體寬度的增加，實體煤一側的壓力逐漸降低，同樣以3 m寬度為臨界寬度，充填體寬度小于3 m時，實體煤一側壓力出現集中應力峰值，而充填體寬度大于3 m時，實體煤一側應力集中現象消失。

沿空留巷成功與否關鍵在于巷旁充填體的強度是否足夠，增加巷旁充填體的寬度有利于回采后巷道的穩定，但是當充填體達到一定寬度以后，繼續加大充填體的寬度對維護巷道沒有根本性作用。

5 結語

（1）采用沿空留巷技術可以提高原煤回采率，增加煤炭產量，同時由于不留區段隔離煤柱，降低了下部薄煤層開采集中應力，為下部薄煤層開采創造了有利條件，在涼水井煤礦實施沿空留巷具有必要性。

（2）涼水井煤礦的頂板以砂巖為主，圍巖結構穩定且具有較高強度，為沿空留巷的實施提供了有利條件。

（3）數值模擬結果顯示：3 m的巷旁充填體寬度為沿空留巷成功與否的臨界寬度，充填體寬度小于3 m時，巷道頂板下沉劇烈，充填墻體坍塌破壞;充填體寬度大于3 m時，巷道頂板得到明顯控制，此結論對涼水井煤礦沿空留巷設計參數提供了指導性建議。

（4）沿空留巷成功的關鍵在于巷旁充填體的強度是否足夠，同時采用高強、高預應力支護方式對巷道及時進行主動支護，提高巷道圍巖整體完整性和強度，有利于留巷后期巷道的整體穩定。

參考文獻

[1] 柏建彪，侯朝炯.復合頂板極軟煤層巷道錨桿支護技術研究[J].巖石力學與工程學報，2001，20（1）：53-56.

[2] 張東升，繆協興，茅獻彪.綜放沿空留巷頂板活動規律的模擬分析[J].中國礦業大學學報，2001（3）：261-264.

[3] 王衛軍，李樹清.深井煤層巷道圍巖控制技術及試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2005（10）：2102-2107.

[4] 張農，李桂臣，許興亮.泥質巷道圍巖控制理論與實踐[M].徐州中國礦業大學出版社，2011.

[5] 張農，王成，高明仕.淮南礦區深部煤巷支護難度分級及控制對策[J].巖石力學與工程學報，2009，28（12）：2421-2428.

[6] 康紅普，林健，吳擁政.全斷面高預應力強力錨索支護技術及其在動壓巷道中的應用[J].煤炭學報，2009，34（9）：1153-1159.

[7] 張農，李學華，高明仕.迎采動工作面沿空掘巷預拉力支護及工程應用[J].巖石力學與工程學報，2004，22（12）：2100-2105.endprint

摘 要：該文對涼水井煤礦實施沿空留巷的可行性進行了研究，結合涼水井煤礦的實際地質條件，通過數值模擬研究巷旁充填體的寬度及巷道支護參數，對沿空留巷的實施提供了可靠的理論指導基礎，為節約煤炭資源并提高經濟效益指明了方向。

關鍵詞：沿空留巷 ?巷旁充填 ?支護參數 ?FLAC5.0 ?數值模擬

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0096-02

1 涼水井煤礦開采現狀

涼水井煤礦主采煤層為4-2煤層，厚度0.30～4.20，平均厚度2.98 m，含夾矸0～3層，夾矸厚度0.06～0.75 m，一般厚度0.20 m左右，巖性多為泥巖和粉砂巖。目前4-2煤工作面設計長度為240 m，相鄰工作面間距為20 m，回采過程中實際留設煤柱14.6 m。煤層頂底板情況如表1所示。

2 實行沿空留巷的必要性

（1）4-2煤層為涼水井煤礦主采煤層，煤炭賦存條件穩定且儲量豐富，采取沿空留巷后可以減少14.6 m煤柱中的煤炭損失，提高涼水井煤礦原煤回采率，增加了煤炭產量，經濟效益明顯。

（2）沿空留巷可以少掘一條順槽，不僅降低掘進成本，而且加快了工作面的布置，有助于緩解采掘接替緊張，為綜采工作面接替創造條件。

（3）采取沿空留巷后，由于沒有了區段隔離煤柱，避免了在隔離煤柱處形成高應力集中區，為下部薄煤層開采創造了良好的條件。

3 沿空留巷的主要形式

為了回收傳統采礦方式中留設的保安煤柱，采用一定的技術手段將上一區段的順槽重新支護留給下一個區段使用，這種留巷的做法是沿著采空區邊緣在原順槽位置保留就稱為沿空留巷。

3.1 砌體墻法

主要是緊靠采空區砌筑一道隔離采空區的密閉墻體。此方法操作工序簡單，而且容易實現，但該方法存在的問題為不能解決墻體與頂板的接頂問題，往往會造成頂板過量離層使得支護效果不佳。

3.2 高水材料高效充填支護法

隨工作面在采空區所在一側構筑巷幫充填體形成巷幫支護帶。該支護方法一般使用材料強度低，用量大且不能有效控制直接頂的離層和及時切斷直接頂，不利于保持巷道的穩定性。同時，由于成本高，支護效果差，現場實際應用很少見。

3.3 現澆混凝土隔墻法

在采空區一側澆筑混凝土隔離墻，此方法適應性廣，承載力高，能夠形成足夠的切頂強度，安全可靠，留巷工序可以實現高度的機械化，可以采用大型自移式沿空留巷充填支架，提高沿空留巷的安全性，現在已經被廣泛接受。

3.4 封閉模鑄砌體混凝土法

封閉注漿指的是將砌體干砌成到一個封閉的袋模具內形成一個袋模包裹的干砌體結構，然后通過高壓將水泥漿體注入這個封閉到袋模中的干砌體的細小空隙內，形成一個具有強力支撐力的新的混凝土結構，砌體預制混凝土塊可以對頂板提供及時強大的被動初撐力，有效減小了混凝土墻體的厚度，留巷施工快速，效果直觀。由于封閉模鑄砌體技術具有施工方便簡單，支護強度高，密閉性好，設備投資小的優點，任何礦都很容易上馬，因此，此技術得到了普遍的應用。

涼水井煤礦煤層埋深較淺，巷道受較小的地應力影響，不會產生高壓蠕變、流變等失穩現象，而且巷道頂底板均為厚砂巖巖層，圍巖強度大且結構完整，由于具有厚且堅硬的直接頂，可以在采空區切頂垮落后形成具有較高強度的支撐梁結構，為沿空留巷創造了良好的條件。

4 沿空留巷可行性及參數的數值模擬研究

采用FLAC5.0數值模擬軟件對沿空留巷寬度進行研究，從而為留巷施工參數設計提供指導性建議。

4.1 數值模型的建立

沿空留巷巷內采用錨桿支護作為基本支護形式，因此巷道開挖后采用錨桿（索）的支護形式進行數值計算分析，具體支護參數為：頂板錨桿7根，長度1.8 m，直徑18 mm，錨索3根，長度7.5 m，直徑15.24 mm，右側幫部錨桿3根，長度1.8 m，直徑18 mm。

分別對沿空留巷巷旁充填體寬度1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m進行數值模擬計算。

4.2 數值模擬結果分析

在數值模擬計算過程中選取了巷道四周中點為位移監測點，對不同充填體寬度條件下巷道頂底板及兩幫位移做了重點監測。

3 m的巷旁充填體寬度為沿空留巷成功與否的臨界寬度，充填體寬度小于3 m時，巷道頂板下沉劇烈，充填墻體坍塌破壞;充填體寬度大于3 m時，巷道頂板得到明顯控制，巷道整體結構完整，并且隨著巷旁充填體寬度的進一步增加，巷道圍巖位移量變化微小，對增強巷道穩定性沒有實質性進展。

隨著巷旁充填體寬度的增加，實體煤一側的壓力逐漸降低，同樣以3 m寬度為臨界寬度，充填體寬度小于3 m時，實體煤一側壓力出現集中應力峰值，而充填體寬度大于3 m時，實體煤一側應力集中現象消失。

沿空留巷成功與否關鍵在于巷旁充填體的強度是否足夠，增加巷旁充填體的寬度有利于回采后巷道的穩定，但是當充填體達到一定寬度以后，繼續加大充填體的寬度對維護巷道沒有根本性作用。

5 結語

（1）采用沿空留巷技術可以提高原煤回采率，增加煤炭產量，同時由于不留區段隔離煤柱，降低了下部薄煤層開采集中應力，為下部薄煤層開采創造了有利條件，在涼水井煤礦實施沿空留巷具有必要性。

（2）涼水井煤礦的頂板以砂巖為主，圍巖結構穩定且具有較高強度，為沿空留巷的實施提供了有利條件。

（3）數值模擬結果顯示：3 m的巷旁充填體寬度為沿空留巷成功與否的臨界寬度，充填體寬度小于3 m時，巷道頂板下沉劇烈，充填墻體坍塌破壞;充填體寬度大于3 m時，巷道頂板得到明顯控制，此結論對涼水井煤礦沿空留巷設計參數提供了指導性建議。

（4）沿空留巷成功的關鍵在于巷旁充填體的強度是否足夠，同時采用高強、高預應力支護方式對巷道及時進行主動支護，提高巷道圍巖整體完整性和強度，有利于留巷后期巷道的整體穩定。

參考文獻

[1] 柏建彪，侯朝炯.復合頂板極軟煤層巷道錨桿支護技術研究[J].巖石力學與工程學報，2001，20（1）：53-56.

[2] 張東升，繆協興，茅獻彪.綜放沿空留巷頂板活動規律的模擬分析[J].中國礦業大學學報，2001（3）：261-264.

[3] 王衛軍，李樹清.深井煤層巷道圍巖控制技術及試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2005（10）：2102-2107.

[4] 張農，李桂臣，許興亮.泥質巷道圍巖控制理論與實踐[M].徐州中國礦業大學出版社，2011.

[5] 張農，王成，高明仕.淮南礦區深部煤巷支護難度分級及控制對策[J].巖石力學與工程學報，2009，28（12）：2421-2428.

[6] 康紅普，林健，吳擁政.全斷面高預應力強力錨索支護技術及其在動壓巷道中的應用[J].煤炭學報，2009，34（9）：1153-1159.

[7] 張農，李學華，高明仕.迎采動工作面沿空掘巷預拉力支護及工程應用[J].巖石力學與工程學報，2004，22（12）：2100-2105.endprint