沿空留巷巷旁支護(hù)體合理寬度的確定

栗芃鵬

（潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司常村煤礦，山西 長治 046000）

沿空留巷是無煤柱護(hù)巷的一種方式，沿采空區(qū)邊緣將上區(qū)段巷道保留下來作為下區(qū)段巷道使用，可提高資源回采率，提高經(jīng)濟(jì)效益。沿空留巷通過少掘進(jìn)1 條回采巷道，可降低礦井掘進(jìn)率和節(jié)省掘進(jìn)費(fèi)用[1-3]。但是，沿空留巷要經(jīng)歷工作面兩次采動(dòng)影響，導(dǎo)致巷道圍巖變形較大和支護(hù)困難。同時(shí)，沿空留巷必須進(jìn)行巷旁支護(hù)，巷旁支護(hù)是沿空留巷的關(guān)鍵技術(shù)。為確定合理巷旁充填體寬度[4-5]，本文以常村礦2206 工作面回風(fēng)巷為工程背景，采用數(shù)值計(jì)算和數(shù)值模擬的方法確定了合理的充填體寬度。

1 工程概況與支護(hù)參數(shù)

常村煤礦位于山西省長治市屯留縣境內(nèi)，所采煤層主要為3 號(hào)煤，煤層平均傾角為4°，平均厚度為5.96 m。煤層上方巖層依次為泥巖（厚度1.86 m）、細(xì)砂巖（厚度8.72 m）；煤層下方依次為砂質(zhì)泥巖（厚度1.47 m）、粉砂巖（厚度2.13 m）。

2206 工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤工藝，推進(jìn)長度為576 m，傾斜長度為300 m。回風(fēng)巷道為寬度和高度分別為4.5 m×3 m 的矩形斷面。采用左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，型號(hào)Ф22 mm×2.4 m，間排距為800 mm×800 mm，預(yù)緊力為80 kN。巷道頂板每排安設(shè)6 根錨桿，實(shí)體煤側(cè)每排4 根錨桿。巷道頂板采用錨索型號(hào)為Ф22 mm×7.5 m，每排安設(shè)3 根錨索，間排距為1500 mm×1500 mm，預(yù)緊力為300 kN。頂板和兩幫均采用菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm。巷道內(nèi)充填體側(cè)采用高水材料進(jìn)行充填。

2 巷旁支護(hù)體寬度的確定

為保證工作面正常回采以及巷道穩(wěn)定，合理設(shè)計(jì)充填體寬度，對沿空留巷成功至關(guān)重要。

2.1 巷旁支護(hù)體寬度計(jì)算

巷旁支護(hù)體寬度計(jì)算如公式（1）所示[6]：

式中：Q為巷旁支護(hù)體支護(hù)阻力，取9.65 MN/m；k1為巷旁支護(hù)體安全系數(shù)，取1.8；k2為巷旁支護(hù)體可靠系數(shù)，取1.5；k3為巷旁支護(hù)體強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.27，s 為巷旁支護(hù)體強(qiáng)度，取13 MPa。

將以上參數(shù)代入公式（1）可求得巷旁支護(hù)體寬度b 為2.75 m，可初步確定支護(hù)體寬度為3 m。

2.2 巷旁支護(hù)體寬度數(shù)值模擬

模型以2206 回風(fēng)巷為研究對象，模型長、寬、高分別為350 m、120 m、45 m。在模型上方施加10.25 MPa 垂直應(yīng)力，用來模擬煤層上覆巖層重量，同時(shí)限制模型的四周以及底部的位移，設(shè)置巷旁充填體的強(qiáng)度為13 MPa，采用Mohr-Coulomb 模型。其主要的巖石物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

為了研究不同支護(hù)體寬度時(shí)的沿空留巷圍巖控制效果，保持其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)定支護(hù)體高度為3.0 m，寬度分別為2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m。

2.2.1 支護(hù)體垂直應(yīng)力

圖1 支護(hù)體應(yīng)力與寬度的關(guān)系

如圖1（a）所示，支護(hù)體縱向垂直應(yīng)力隨著支護(hù)體寬度的增加而增加，曲線變形規(guī)律基本相同，在工作面后方支護(hù)體垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出先快速增大后趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象，且在工作面后方25 m 后基本保持不變。當(dāng)支護(hù)體寬度2.5 m 時(shí)，縱向垂直應(yīng)力最大值為11.75 MPa；支護(hù)體寬度為3.0 m 時(shí)，縱向垂直應(yīng)力最大值為14.53 MPa；支護(hù)體寬度為3.5 m 時(shí)，縱向垂直應(yīng)力最大值為15.71 MPa；支護(hù)體寬度為4.0 m 時(shí)，縱向垂直應(yīng)力最大值為16.39 MPa。不同巷旁支護(hù)體寬度垂直應(yīng)力增加幅度：2.5～3.0 m 時(shí)為23.66%，3.0～3.5 m時(shí)為8.12%，3.5～4.0 m時(shí)為4.32%。可知支護(hù)體寬度從3.0 m后，縱向垂直應(yīng)力增加緩慢。如圖1（b）所示，支護(hù)體橫向垂直應(yīng)力隨支護(hù)體寬度增加而增加，沿支護(hù)體寬度中部呈對稱分布，曲線近似為等腰三角形。當(dāng)支護(hù)體寬度從2.5 m 增加到3.0 m 時(shí)，支護(hù)體橫向垂直應(yīng)力從11.03 MPa 增加到13.25 MPa，斜率較大為2.22；當(dāng)支護(hù)體寬度從3.0 m 增加到4.0 m 時(shí)，支護(hù)體中部最大垂直應(yīng)力呈現(xiàn)線性增加，斜率為1.23。說明支護(hù)體寬度從3.0 m后，橫向垂直應(yīng)力增加緩慢。

2.2.2 巷道圍巖變形

圖2 不同支護(hù)體寬度時(shí)圍巖變形曲線

由圖2 可知，巷道圍巖變形量隨著支護(hù)體寬度增加而減小。當(dāng)支護(hù)體寬度從2.4 m 增加到3.0 m 時(shí)，位移變形量下降較大，3 m 后下降幅度變緩。由2（a）可知，支護(hù)體寬度由2.5 m 變?yōu)?.0 m，頂板下沉量由177.04 mm 變?yōu)?11.35 mm，斜率為-131.38；支護(hù)體寬度由3.0 m 變?yōu)?.0 m，頂板下沉量呈線性減小，由111.35 mm 變?yōu)?9.41 mm，斜率為-21.94。由2（b）可知，支護(hù)體寬度由2.5 m 變?yōu)?.0 m，實(shí)體煤幫內(nèi)移量由105.11 mm 變?yōu)?8.62 mm，斜率為-52.98；支護(hù)體寬度由3.0 m變?yōu)?.0 m，頂板下沉量呈線性減小，下沉量由78.62 mm 變?yōu)?7.95 mm，斜率為-20.67。

綜上所述，支護(hù)體垂直應(yīng)力隨著巷道支護(hù)體寬度增加而增加，即巷旁支護(hù)體承載力變強(qiáng)，巷道圍巖變形量隨支護(hù)體寬度增加而減小。支護(hù)體寬度在2.5～3.0 m 時(shí)，垂直應(yīng)力增幅較大，位移量降幅較大；支護(hù)體寬度在3.0～4.0 m 時(shí)，垂直應(yīng)力增加緩慢，位移量減少緩慢。

因此，通過數(shù)值計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果確定巷旁支護(hù)體寬度為3.0 m。

3 工程應(yīng)用

對2206 工作面回風(fēng)巷采用高水充填材料巷旁充填，水灰比確定為1.5:1，充填體長、寬、高均為3.0 m。

3.1 巷旁支護(hù)體變形分析

圖3 巷旁支護(hù)體變形與工作面的距離關(guān)系

如圖3 所示，2206 回風(fēng)巷巷旁支護(hù)體的縱向和橫向變形的規(guī)律基本一致，但是縱向變形量要略大于橫向變形量。

（1）在工作面后方0～5 m 范圍內(nèi)，充填體承受頂板壓力較小，巷旁支護(hù)體變形量較小。

（2）在工作面后方5～40 m 范圍內(nèi)，充填體由于受到上覆巖層下沉移動(dòng)的影響作用，充填體承受載荷加大，支護(hù)體變形量曲線陡峭，其變形量增幅較大。

（3）在工作面后方40 m 以后，考慮到上覆巖層影響較為穩(wěn)定，巷道圍巖變形量也逐漸趨于平穩(wěn)，巷旁支護(hù)體變形量基本處于不變狀態(tài)。其縱向變形量最大值為92.56 mm，橫向變形量最大值為62.17 mm。

3.2 巷道圍巖變形分析

如圖4 所示，在工作面后方0～40 m 區(qū)域內(nèi)巷道變形量變化較大，而工作面后方40 m 以后圍巖變形量趨于平緩。圍巖變形穩(wěn)定后，頂?shù)装逡平孔畲笾禐?56.83 mm，兩幫內(nèi)移量最大值為102.64 mm。

圖4 巷道圍巖位移與工作面距離的關(guān)系

綜上所述，圍巖趨于穩(wěn)定后，巷道變形量較小，說明3.0 m 巷旁支護(hù)體寬度能較好控制巷道圍巖變形，保持巷道穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

（1）通過數(shù)值計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果確定巷旁支護(hù)體寬度為3.0 m。

（2）工程應(yīng)用表明，采用3.0 m 寬巷旁支護(hù)體，在圍巖穩(wěn)定后，巷旁支護(hù)體縱向變形量最大值為92.56 mm，橫向變形量最大值為62.17 mm，巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐?56.83 mm，兩幫內(nèi)移量最大值為102.64 mm，可較好控制巷道圍巖變形。