深部開(kāi)采沿空留巷充填體寬度確定及圍巖控制效果分析

白清才

【摘 要】 沿空留巷開(kāi)采技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但隨著開(kāi)采深度不斷延伸，留巷填充寬度的確定問(wèn)題逐漸涌現(xiàn)。為科學(xué)解決以上問(wèn)題，文章以某礦沿空留巷回采技術(shù)為依托，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析，得出填充寬度3m最佳。鑒于安全考慮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置填充寬度3.5m，通過(guò)施工后對(duì)巷道圍巖進(jìn)行考察，考察結(jié)果顯示，填充寬度安全可靠。

【關(guān)鍵詞】 沿空留巷;數(shù)值模擬;填充寬度;效果考察

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TD713 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）02-0010-02

1工程背景

某礦2311工作面臨近面為2309工作面，主采煤層為3#煤層，平均煤層厚度6m，面長(zhǎng)1250m，面寬190m，采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采方式，工作面平均埋深1400m。2309工作面已經(jīng)采完，原工作面面長(zhǎng)1250m，面寬200m，2309運(yùn)輸巷為靠近2311工作面回風(fēng)巷一端。巷道布置圖如圖1所示。原2309運(yùn)輸巷寬6m，高3.5m，為半圓結(jié)構(gòu)。現(xiàn)擬將2309運(yùn)輸巷進(jìn)行重新支護(hù)，作為2311綜放面回風(fēng)巷。

2沿空留巷圍巖應(yīng)力分析

為確定沿空留巷的填充寬度以及填充后巷道圍巖支護(hù)措施，本文進(jìn)行了不填充、填充2m、填充3m和填充4m時(shí)巷道圍巖應(yīng)變模擬研究，采用耦合模擬軟件COMSOL進(jìn)行數(shù)值模擬。假設(shè)填充物均勻，填充材料均勻，所有材料的模擬均在彈性范圍內(nèi)，不考慮多孔介質(zhì)內(nèi)部滲流現(xiàn)象，不考慮溫度對(duì)模型的力學(xué)改性現(xiàn)象。采用彈性固體應(yīng)力模型進(jìn)行模擬。煤層頂板為粉砂巖，底板為泥巖，各個(gè)巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示。模擬結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2模擬了經(jīng)過(guò)10個(gè)月后，沿空留巷周?chē)鷰r石應(yīng)力的分布云圖。假設(shè)巷道周?chē)簬r為彈性介質(zhì)，巷道周?chē)鷰r石應(yīng)力為1.0×108～2.0×108Pa。圖3模擬了頂板在不同填充厚度時(shí)，頂板巖石應(yīng)力演化曲線，分別模擬了0個(gè)月、1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月、4個(gè)月、5個(gè)月、6個(gè)月、7個(gè)月、8個(gè)月、9個(gè)月、10個(gè)月共計(jì)11個(gè)時(shí)間點(diǎn)巷道頂板應(yīng)力分布曲線圖。

由圖3可知，當(dāng)沿空留巷中無(wú)填充時(shí)，整個(gè)巷道以及采空區(qū)頂板受到約1.68×108Pa的應(yīng)力，底板受到約1.8×108Pa的應(yīng)力，應(yīng)力峰值突破頂、底板巖石的彈性極限，現(xiàn)場(chǎng)為全部垮塌散落狀態(tài)。當(dāng)巷道填充寬度為2m時(shí)，應(yīng)力基本全部集中在了填充柱上，有效地控制了巷道頂板應(yīng)力分布集中的現(xiàn)象，應(yīng)力大面積集中區(qū)域處于填充柱體中部，應(yīng)力集中區(qū)呈矩形狀態(tài)。當(dāng)巷道填充3m時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域依舊分布在填充柱體上，應(yīng)力大面積集中區(qū)域位于填充柱中部，集中片區(qū)呈葫蘆形狀。當(dāng)填充寬度達(dá)到4m時(shí)，頂部應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)大面積分區(qū)，即采空區(qū)，填充柱體承受了大部分應(yīng)力，填充柱體應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)水平兩側(cè)分離現(xiàn)象。填充柱水平方向中部出現(xiàn)應(yīng)力下降的現(xiàn)象。因此，實(shí)際會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。

通過(guò)分析圖3可知，無(wú)支護(hù)情況下，初始頂板應(yīng)力隨著距離巷幫長(zhǎng)度增大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，到達(dá)2m范圍后基本穩(wěn)定在平穩(wěn)點(diǎn)0.88×108Pa上。隨著時(shí)間的推移1月時(shí)間點(diǎn)時(shí)，頂板應(yīng)力在2.3m位置點(diǎn)增加到1.3×108Pa這個(gè)最高點(diǎn)上后出現(xiàn)下降又上升最后趨于平穩(wěn)的狀態(tài);2月、3月、4月、5月、6月、7月、8月應(yīng)力曲線分布和1月一致，但隨著時(shí)間推移，后期波動(dòng)漸漸趨于平緩。9月時(shí)又再次出現(xiàn)大幅波動(dòng)，并且所有波動(dòng)點(diǎn)達(dá)到最高點(diǎn)，10月又開(kāi)始下降到平穩(wěn)點(diǎn)。推測(cè)9月出現(xiàn)大面積破裂現(xiàn)象。分析填充2m、3m、4m的曲線演化圖可知，巷道頂板應(yīng)力基本出現(xiàn)由左向右下降的趨勢(shì)，但填充寬度為3m的曲線應(yīng)力變化整體較為平緩。

綜上所述，填充寬度2m時(shí)，應(yīng)力過(guò)于集中于填充柱，容易造成填充柱過(guò)早垮塌;填充寬度為4m時(shí)，容易造成填充過(guò)渡，造成工程浪費(fèi)的現(xiàn)象。因此建議填充寬度為3m。

3沿空留巷填充寬度確定及圍巖控制措施

通過(guò)數(shù)值模擬可知，沿空留巷填充寬度為3m最佳。但由于實(shí)際工程會(huì)出現(xiàn)填充質(zhì)量不佳的情況，因此將填充寬度設(shè)定為3.5m，填充材料為水泥漿和磚混結(jié)構(gòu)，填充方式如圖4所示，兩側(cè)用磚混結(jié)構(gòu)建造0.5m的墻面結(jié)構(gòu)，然后在中間灌漿，為保證整體結(jié)構(gòu)受力均勻性，頂部建造管棚結(jié)構(gòu)，保證整體的應(yīng)力分布均勻。為防止圍巖垮塌，在靠近巷道一側(cè)進(jìn)行工字鋼支架結(jié)構(gòu)安置，排間距0.4m。

填充完成后，未填充靠近采面一邊采用錨固噴漿技術(shù)，保證整個(gè)巷道完整性。實(shí)施完成后巷道安設(shè)了頂板離層儀等設(shè)備進(jìn)行圍巖應(yīng)力變化實(shí)時(shí)觀測(cè)。通過(guò)后期效果考察，沿空留巷填充帶實(shí)施完成后，10個(gè)月的時(shí)間內(nèi)巷道未出現(xiàn)應(yīng)力大幅變化、巷道大面積垮落的現(xiàn)象。沿空留巷填充寬度3.5m安全可靠。

4結(jié)論

由于沿空留巷回采技術(shù)可有效回收預(yù)留煤柱、節(jié)省單獨(dú)掘進(jìn)一條巷道的開(kāi)支的優(yōu)點(diǎn)，因此具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文以深部沿空留巷開(kāi)采技術(shù)為研究對(duì)象，進(jìn)行了數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的研究得出以下結(jié)論：

模擬得出填充寬度2m出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)于集中于填充柱的現(xiàn)象，填充4m存在工程量浪費(fèi)現(xiàn)象，因此填充寬度為3m。

由于現(xiàn)場(chǎng)存在填充材料不均勻的現(xiàn)象，建填充跨度調(diào)整到3.5m，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工并進(jìn)行后期效果考察可知，填充寬度3.5m安全可靠。

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