厚煤層軟底沿空留巷充填體選擇研究與應用

柳 晶，李根威

（呂梁學院礦業工程系 山西 呂梁 033000）

0 引言

沿空留巷不僅可以利用工作面通風，還可以提高資源采出率。但是在實際中，往往會遇到諸多問題，工作面為厚煤層軟底時，普通留巷方式圍巖不穩定。需對此展開深入研究。諸多學者從理論到實際對沿空留巷進行了一系列深入的研究。張東升、馬立強等[1-3]通過研究了不同巷旁充填體強度，得出了各種情況下寬度的最低標準；楊博[4]等通過研究頂板的堅硬程度與充填體的作用關系，得出了不同支護方式下頂板的破壞情況；朱道勇[5]等通過FLAC3D模擬軟件模擬了充填材料對圍巖變形的影響，設計了合理的巷旁支護體。

綜上所述，眾多學者已對沿空留巷進行了深入的研究。但對于厚煤層軟底條件下沿空留巷的研究較少，現通過某煤礦N1202 工作面對厚煤層軟底時沿空留巷的充填體選擇及其合理支護措施進行研究。

1 工程概況

某煤礦N1202 工作面地處山西省長治市境內，埋深905 m～916 m，煤層傾角0°～2°，煤層賦存條件良好，綜放開采。煤厚5.32 m～6.62 m，采高3.0 m，煤層上覆巖層中直接頂為3.0 m 厚炭質泥巖，基本頂為5.0 m厚的含礫砂巖，煤層上部巖層中直接底為2.5 m厚的泥巖，基本底為3.4 m厚的砂質泥巖，老底為4.0 m厚的粗砂巖，回風順槽為矩形斷面，寬5 500 mm，高3 000 mm。N1202 工作面煤層頂底板巖層的物理力學參數如表1所示。

表1 巖層物理力學參數

2 煤層軟底沿空留巷圍巖變形破壞原理

2.1 厚煤層軟底沿空留巷底鼓變形規律

工作面推過后，采空區直接頂垮落并碎脹充填采空區，塊體B＇受到充填體作用給直接頂斷裂塊的支撐阻力，而這個力相當于將塊體B＇進行切斷的一個切頂力，使得塊體B＇所受拉力大于最大極限抗拉強度后斷裂，塊體B＇斷裂成塊體B和C，塊體B后續受到采空區碎脹體和充填體的支撐力，由于采空區側支撐力明顯小于支護側，出現回轉下沉現象。

圖1 沿空留巷結構力學模型

工作面開采時沿空留巷多次受采動影響，圍巖破壞嚴重，再加上底板質地軟弱，發生底鼓現象突出，并呈周期性出現，巷道底鼓最開始是在巷道剛開掘的時候時有出現，之后在工作面推進的時候底鼓會表現地更為突出。在巷道開挖后，原本儲存在巖體的彈性勢能會突然釋放，對底板造成集中破壞，尤其是軟弱底板的時候表現地更為明顯，煤壁和充填體受到高應力再將力作用到底板上，由于底板軟弱，強度不足，導致煤體和充填體侵入軟弱底板，底板長期處在高應力環境下，軟弱底板進一步的破壞最終導致繞曲失穩。軟弱直接底的變形主要是直接底破碎，再加上基本底的壓曲破壞和老底的繞曲失穩。綜上分析可得，老底的繞曲失穩變形量與基本底的壓曲破壞變形量的最大值即為實際底鼓量。

圖2 沿空留巷底鼓變形示意圖

2.2 厚煤層軟底沿空留巷底鼓量

基本底發生底鼓破壞時壓曲力學模型見圖3：

圖3 基本底壓曲力學模型

由幾何關系計算得，基本底壓曲底鼓量為：

式中：a為巷道寬度，m；u為煤壁幫單側水平變形量，m，取0.04 m（取工作面實際作業中最大變形量）；w為基本底壓曲底鼓量，m。

老底發生底鼓破壞時建立的撓曲力學模型（四邊簡支）如圖4所示：

圖4 老底撓曲力學模型

其中薄板壓曲微分方程如下：

式中：A特定系數；L為基本底橫向寬度；x0為煤幫極限平衡區寬度，m；a為巷道寬度，m；b為支護體寬度，m。

簡支薄板四邊的邊界條件為：當x=0 或L=0 時，，老底的總勢能為：

依最小總勢能原理，式（6）滿足：

可知老底撓度函數取最大值時即為老底撓曲的底鼓量，其值為：

式中：EB為老底彈性模量，GPa;hB為老底巖層厚度，m；DB為基本底抗彎剛度，MN·m；q為底板所受的單位載荷（來自充填體），MN/m；k為采空區側向應力集中系數；p為底板所受下部巖層的單位載荷，MN/m；σc為煤幫殘余強度，MPa；N為基本底縱向寬度，m；γ為覆巖容重，kN3；H為采深，m；x為煤幫平衡區寬度，m；

厚煤層軟底沿空留巷的實際底鼓量最大值為：

其中：w=u1，A=u2。

計算得u1=0.467 m，u2=0.405 m，即u=0.467 m。

由計算結果可知底鼓量偏大，嚴重影響留巷的穩定性。從力學模型和式（1）～（8）可知，導致綜采工作面底鼓偏大因素主要有：老底的彈性模量、所布置充填體的寬度和充填體自重對底板產生的壓力等。為減小底鼓量，需確定合理的充填體支護寬度。在底板條件一定的情況下，下表2 為N1202 工作面所布置充填體的寬度的基準值及其變化范圍。

表2 影響因素的基準值及變化范圍

巷旁支護體寬度與老底的撓曲量經擬合呈線性關系，如圖5所示。

圖5 巷旁支護體與老底底鼓量關系

由圖5知充填體寬度小于1.5 m時，實際底鼓量為基本底底鼓量，當大于1.5 m時，實際底鼓量為老底底鼓量，直接影響巷道底板變形情況，同時考慮到支護強度要求，太小的寬度不能達到破斷頂板的支護阻力條件。故選用1.5 m的充填體支護寬度，同時考慮到充填體自重影響，需采用柔性充填體，故初步確定充填體為C30強度混凝土，支護寬度為1.5 m。

2.3 厚煤層軟底沿空留巷頂板破斷條件

巷旁充填體支護阻力與上覆巖層載荷以及已跨落巖層殘留支護力共同支護頂板，基本頂由于受拉發生被動破壞，建立破斷模型如圖6。有基本頂破斷所需的巷旁充填體支護阻力計算公式為：

圖6 基本頂破斷力學模型

式中：MZ為單位長度直接頂頂板破斷極限彎矩，N/m；FJ1為D 點位置直接頂單位寬度發生剪切破斷的剪力，N；LBq為塊體B＇在充填體側切頂后的長度，m；Mj為單位長度基本頂抗彎彎矩，N/m；FJ2為D 點位置基本頂單位寬度發生剪切破斷的剪力，N；γj為基本頂巖體的容重，MN/m3；hj為基本頂的巖層厚度，m；M1為單位長度直接頂抗彎彎矩，N/m；Xj基本頂巖層斷裂位置，m；w為沿空留巷本身寬度，m；wc為巷旁充填體寬度，m。

結合N1202工作面實際條件取值計算得到當充填體支護阻力達到9.362 kN/m2時，基本頂頂板發生被動破斷。直接頂較基本頂更易發生破斷且所需支護阻力更小，不另作計算。充填體寬度為1.5 m時C30的支護阻力達10.152 kN/m2，且隨充填寬度增加支護阻力增大。故C30強度混凝土即可滿足要求。

2.4 厚煤層軟底沿空留巷幫部變形分析

幫部變形是由頂板載荷與巷道支撐體共同作用引起的兩幫移近量，故研究頂板載荷作用是分析幫部變形的關鍵。埋深很大程度決定頂板作用到煤體和充填體上的載荷，N1202 工作面埋深大，故載荷大；基本頂的厚度和彈性模量也會有較大影響，基本頂厚度越大其自身越趨于穩定，對充填體強度要求降低，厚度很薄容易破壞，亦對充填體強度要求低，N1202工作面基本頂7.9 m較厚對充填體要求高，需要選用較高強度和寬度的充填體。鑒于基本頂為含礫砂巖，彈性模量較低，較容易破斷，故對充填體要求可適當降低；基本頂較薄時彈性模量不是影響其破斷的主要因素，可不作考慮；在載荷一定時，充填體寬度和其橫截面正應力是呈負線性相關，充填體寬度越大其所受正應力越小，發生幫部變形就越小，結合N1202工作面現場情況，幫部變形較小，最大部分僅為0.04 m，留巷較為成功。

2.5 厚煤層軟底沿空留巷頂板破斷位置影響

根據以往學者得出的經驗，充填體橫截面的正應力隨基本頂破斷位置的變化規律，其中兩者呈負相關關系。直接頂和基本頂破斷位置距離充填體較近的時候，會導致頂板的壓力集中作用到煤壁上方，而由于煤體強度低，所能提供的支撐力有限，大部分壓力會落在充填體上，導致充填體需要提供的支撐阻力大幅增加，解決措施即為增加充填體的強度和寬度，但是如此便會提高支護成本，不利于實行。因此，破斷位置的控制也很重要，結合N1202工作面地質條件和工作面長度，發現其破斷距離基本都在6 m 以上，不會對留巷造成較為明顯影響，故留巷合理可行。

綜上所述，N1202工作面選用C30強度混凝土，充填體寬度1.5 m時即可實現安全留巷。

3 應用效果

在N1202 工作面布置圍巖收斂變形監測站，位于優化留巷支護方案70 m 處，滯后工作面12 m 處；位移監測站布置于優化留巷支護方案150 m 處，超前回采工作面40 m處。通過兩監測站記錄頂板下沉量、煤幫幫部變形量、底鼓量數據進行分析。

分析數據發現，N1202 工作面沿空留巷變形從工作面后方20 m 處開始，200 m 時基本穩定，在20 m～50 m 范圍內變化波動明顯。巷道底鼓變形量最大值為200 mm，約占總體變形的一半。兩幫變形主要表現為煤幫幫鼓，且幫鼓主要發生在煤幫中部，煤幫鼓出量約為35 mm，表明支護效果良好。

4 結論

（1）通過建立力學模型，基于N1202工作面實際頂底板數據分析底鼓量最大為0.467 m，布置充填體寬度為1.5 m，采用C30強度混凝土時可滿足工作面留巷的穩定要求。

（2）通過建立力學模型，基于頂板破斷條件，分析可得采用C30強度混凝土時可達到基本頂頂板發生被動破斷，實現成功留巷。

（3）結合沿空留巷幫部變形分析和頂板破斷位置影響理論分析可得N1202工作面頂板破斷未對留巷造成太大影響，幫部變形量最大部分僅為0.04 m，留巷成功可行。

（4）在N1202工作面沿空留巷實際支護應用中，采用充填體寬度為1.5 m 的C30 強度混凝土支護時表現出了良好的支護效果。