巷旁充填沿空留巷無煤柱開采圍巖穩(wěn)定性分析

郝 龍

（西山煤電（集團）有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

隨著巷旁充填技術(shù)的發(fā)展和完善，其在沿空留巷中的應(yīng)用日益廣泛。王谞杰[1]通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究了新大地礦8101 工作面不同充填體參數(shù)下沿空留巷圍巖變形規(guī)律，確定了巷旁充填體的最佳寬度。 鞏躍斌等[2]基于對余吾礦不同充填體寬度下沿空留巷圍巖應(yīng)力和變形量的分析，確定了巷旁充填體合理寬度為1.5 m。 王曉虎等[3]以顧橋礦1115（1）工作面沿空留巷為工程背景，分析了深部復(fù)合頂板條件下巷旁充填體寬度對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。 張東升等[4]基于對沿空留巷頂板變形規(guī)律的分析，提出了巷旁充填體寬度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。 張琦等[5]采用數(shù)值模擬的方法研究了充填體寬度影響下沿空留巷圍巖變形及應(yīng)力分布規(guī)律。 鄧雪杰等[6]研究了巷旁充填體寬度為2～6 m 時沿空留巷圍巖移動破壞特征， 確定了唐口礦9303 工作面沿空留巷巷旁充填體合理寬度為4.1 m。 鄭強強等[7]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，分析了巷旁充填體寬度對沿空留巷圍巖變形的影響規(guī)律，確定了潘一東礦1252（1）工作面巷旁充填體的合理寬度為2～3 m。 綜上所述巷旁充填體寬度設(shè)計是否合理是影響沿空留巷穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。 因此，以西銘礦42206 工作面沿空留巷為工程背景，通過對比分析不同寬度巷旁充填體寬度影響下中厚煤層沿空留巷圍巖變形規(guī)律，確定了最佳巷旁充填體寬度，對工作面安全生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

42206 綜采工作面位于西十二采區(qū)， 工作面走向長657 m，斜長201 m，開采2#煤層。 2#煤層埋深為419 m，采用走向長壁后退式開采方法，全部垮落法管理頂板。 42206 工作面南、北、西和東依次緊鄰42208 采空區(qū)、42204 工作面（設(shè)計）、左翼回風(fēng)巷及42018 和42020 采空區(qū)，42206 工作面平面布置見圖1。 2#煤層厚度為1.60～2.10 m， 煤層均厚1.80 m；煤層傾角為1°～4°，平均傾角為2°；煤層結(jié)構(gòu)簡單，為穩(wěn)定的中厚煤層。 為緩解2#煤層實際開采過程采掘接續(xù)緊張的矛盾，提高煤炭開采資源回收利用率和維護巷道穩(wěn)定，決定采用高水充填材料巷旁充填的無煤柱沿空留巷技術(shù)來布設(shè)42206工作面皮帶巷。

圖1 42206 工作面平面布置

2 巷旁充填體寬度數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

為了分析研究不同寬度巷旁充填體時沿空留巷圍巖變形規(guī)律，結(jié)合西銘礦42206 工作面實際工程地質(zhì)條件和各煤巖層基本力學(xué)特征，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，分別模擬巷旁充填體寬度為1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m 和1.8 m 時沿空留巷圍巖變形情況。 所建立數(shù)值模型尺寸為260 m×140 m×90 m（長×寬×高），模型邊界條件為四周邊界均固定水平位移，下部邊界固定垂直位移， 上邊界按照上覆巖層重力施加10 MPa 的均布載荷。巷旁充填體采用應(yīng)變軟化模型[4]，充填體參數(shù)基于參考文獻中數(shù)據(jù)并校準(zhǔn)后獲得[8]。 圖2 為三維數(shù)值模型圖，表1 給出了模型中各煤巖層力學(xué)參數(shù)。

圖2 三維數(shù)值模型

表1 煤層頂?shù)装寮傲W(xué)參數(shù)

2.2 巷旁充填體寬度對沿空留巷圍巖變形的影響規(guī)律

基于不同巷旁充填體寬度時沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬結(jié)果分析，分別研究了充填體寬度對沿空留巷圍巖變形的影響規(guī)律。 由于不同寬度巷旁充填體在支承上覆巖層重量時的承受面積不同，導(dǎo)致不同寬度巷旁充填體受力情況及其將上覆巖層重力傳遞到沿空留巷圍巖中的情況不同，進而影響沿空留巷圍巖變形情況[3-6]。沿空留巷圍巖變形量隨巷旁充填體寬度的變化規(guī)律見表2。

表2 不同巷旁充填體寬度下沿空留巷圍巖變形量

為了更加清楚直觀的反映巷旁充填體寬度對沿空留巷圍巖變形的影響規(guī)律，將表2 中數(shù)據(jù)繪制成圖3。圖3 中隨巷旁充填體寬度增大，巷道頂板下沉量呈現(xiàn)出先快速降低，后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律；充填體幫移近量呈現(xiàn)出近線性降低趨勢；而底鼓量和煤體幫移近量則呈現(xiàn)出緩慢增長的趨勢。從巷旁充填體寬度對沿空留巷圍巖變形量的影響規(guī)律并綜合考慮施工條件、 對沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的影響情況和施工成本下，確定巷旁充填體最佳寬度為1.4 m。

圖3 不同巷旁充填體寬度下沿空留巷圍巖變形量

3 工業(yè)性試驗

根據(jù)西銘礦42206 工作面現(xiàn)場情況設(shè)置沿空留巷表面位移測站， 以沿空留巷開始處為起始點，間隔30 m設(shè)置一個測站，共設(shè)置2 個測站。 根據(jù)所設(shè)置的測站，對巷旁充填體寬度為1.4 m時，沿空留巷圍巖相對變形量見表3。

表3 測站1 和2 時沿空留巷圍巖相對變形量

為了更加清楚直觀的反映巷旁充填體寬度為1.4 m時， 測站1 和2 所監(jiān)測的距工作面不同距離時沿空留巷圍巖相對位移的的變化規(guī)律，將表3 中數(shù)據(jù)繪制成圖4。

圖4 不同測站處沿空留巷圍巖相對移近量

由圖4 可知， 隨距工作面距離的增大， 測站1和測站2 所監(jiān)測到的沿空留巷圍巖相對移近量的變化規(guī)律基本相同，沿空留巷頂?shù)装逡平棵黠@大于兩幫移近量，且均可分為快速增長階段和趨于穩(wěn)定階段兩個階段。 對比在距工作面0～100 m范圍內(nèi)，測站1 所監(jiān)測的圍巖相對移近量稍大于測站2。且在距工作面0～60 m范圍內(nèi)，沿空留巷頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平烤士焖僭鲩L趨勢，但其增長速率隨距工作面距離的增加而降低。在距工作面60～100 m范圍內(nèi)， 沿空留巷頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平侩S距工作面距離的增加而無顯著變化，其增長速率隨距工作面距離的增加基本為零，故在該范圍內(nèi)沿空留巷圍巖變形基本穩(wěn)定。 由此可見， 寬度為1.4 m 的巷旁充填體滿足無煤柱沿空留巷巷旁支護的要求，能夠保障沿空留巷的正常實施。

4 結(jié)語

基于對不同寬度巷旁充填體影響下沿空留巷圍巖變形演化規(guī)律的分析和研究，主要得出以下結(jié)論：

1）隨巷旁充填體寬度增大，沿空留巷頂板下沉量呈先快速降低，后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，充填體幫移近量呈近線性降低趨勢；底鼓量和煤體幫移近量呈緩慢增長趨勢，并確定了巷旁充填體最佳寬度為1.4 m。

2）對巷旁充填體寬度為1.4 m時，沿空留巷頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平楷F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，距工作面0～60 m范圍內(nèi)，沿空留巷頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平烤士焖僭鲩L趨勢，但增長速率隨距工作面距離的增加而降低。 距工作面60 m以后，沿空留巷頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平口呌诜€(wěn)定，能滿足無煤柱沿空留巷巷旁支護要求和保障沿空留巷的正常實施。