柳塔礦沿空留巷頂底板移近量分析

高建勇，朱云龍

(國家能源集團 神東柳塔煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

柔模混凝土沿空留巷技術目前在我國廣泛應用，通過在巷道靠近采空區的一側樹立柔模混凝土墻體，將上一區段的回采巷道保留下來供下一區段使用，實現區段間的無煤柱開采，減少煤炭資源損失，提高企業經濟效益[1-5]。通過采用沿空留巷關鍵技術，柳礦22103工作面能夠回收長1 985 m、寬15 m、高1.9 m的煤柱，約7.4萬t煤炭資源，為企業增加經濟效益約810萬元。因此，柳塔礦對22103運輸巷開展沿空留巷技術工程實踐。

目前，國內外許多專家學者對沿空留巷的合理留巷寬度、巷旁充填寬度、及巷旁支護材料進行了大量研究[6-11]。張東升等[12-13]通過相似模擬試驗探究了不同巷內支護形式對沿空留巷圍巖變形特征的影響；苗凱軍等[14]通過FLAC3D數值模擬模型，詳細分析了在不同影響因素下沿空留巷圍巖變形的控制效果；李化敏等[15]將沿空留巷頂板的運動過程劃分為3個階段，分別建立3個階段的巷道側向頂板破斷的力學模型，分析了沿空留巷采場頂板運動及其變形特征；賀新[16]采用理論分析與數值模擬的方法，確定了伊田煤業高水充填沿空留巷旁充填體的合理寬度，并應用現場實測圍巖變形對巷旁充填體的合理寬度進行驗證；譚云亮等[17-18]針對堅硬頂板條件的沿空留巷工程，提出不等強度“柔—強”組合巷旁充填體，通過現場實際應用，有效減小了堅硬頂板條件下沿空留巷的圍巖變形量。綜上，現有對沿空留巷的研究多集中在沿空留巷巷旁充填體的合理寬度與支護強度之上[19-22]，頂底板移近量的現場實測結果往往作為驗證手段，對沿空留巷相關參數的合理性進行驗證。因此，本文以榆柳塔礦22103運輸巷沿空留巷工程為背景，通過FLAC3D數值模擬、理論分析及現場實測的研究方法，詳細分析了不同工作面超前距離條件下沿空留巷的頂底板移近量變化趨勢與特征。

1 工程概況

1.1 地質概況

柳塔礦22103綜采工作面推進長度約2 150 m，工作面煤厚度1.70～2.08 m，可采性指數為1，煤層平均傾角約2°，結構簡單，屬穩定煤層。煤層直接頂為灰黑色泥巖，厚度為0～1.5 m，基本頂為深灰色細粒砂巖，厚度為7.0～11.5 m，偽底為泥巖，厚度為0.2 m，基本底為深灰色泥巖，厚度為2.80～5.83 m，工作面地層柱狀如圖1所示。22103工作面運輸巷采用沿空留巷技術，保留巷道作為22104工作面回風巷，進而緩解采掘接替緊張，減少巷道掘進工作量，避免區段煤柱留設導致的煤炭資源損失。22103工作面運輸巷巷道寬度5 500 mm，留巷寬度4 500 mm，巷道高度2 100 mm，沿空留巷布置情況如圖2所示。

圖1 工作面柱狀Fig.1 Working face columnar

圖2 22103工作面沿空留巷布置情況示意Fig.2 Layout of gob-side entry in 22103 working face

1.2 施工工藝及材料

22103工作面運輸巷的沿空留巷工藝及流程如下：干料運輸→移架→留巷滯后支護(架棚、打設木點柱、單體、鋪網)→支護澆筑空間→掛柔模、上錨栓→泵注混凝土→監測→留巷補強→回柱→下一循環。其中柔模泵注混凝土施工主要材料為P.O42.5硅酸鹽水泥，配合砂子、石子、粉煤灰、專用外加劑與水，使得巷旁充填體具有一定的強度。柔性模板長3.0 m,寬1.0 m,高2.4 m，柔性模板配合適當的錨栓，防止柔性模板發生大范圍不的水平變形而無法及時接頂或留巷失敗的現象。柔性模板如圖3所示。

圖3 柔性模板結構Fig.3 Structure diagram of flexible formwork

2 數值模擬

2.1 模型建立

根據柳塔礦22103運輸巷沿空留巷工程為背景，建立FLAC3D數值模擬模型，探究工作面不同推進距離條件下沿空留巷頂底板移近量的變化規律。

數值模型長×寬×高=250 m×300 m×80 m，模型共計48 640個網格，53 300個節點，模型底部邊界固定垂直位移，模型四周固定水平位移，模型頂部施加1.5 MPa載荷以模擬未建立的地層，初始模型如圖4所示，數值模型參數見表1。

圖4 初始數值模型Fig.4 Initial numerical model

表1 模型參數Tab.1 Parameters of numerical model

2.2 模擬結果分析

不同超前距離下沿空留巷圍巖變形云圖如圖5所示。

圖5 巷道圍巖變形云圖Fig.5 Deformation of surrounding rock of roadway

進一步提取得到數值模擬結果，得到巷道頂底板移近量如圖6所示。由圖可知，沿空留巷頂底板移近量隨著工作面超前距離的不斷增加呈現先增加后趨于穩定的趨勢。當工作面由超前0 m到超前150 m時，沿空留巷頂底板移近量不斷增加，而當工作面由超前150 m到超前200 m時，沿空留巷頂底板移近量則維持穩定，基本不發生變化。

圖6 沿空留巷頂底板移近量Fig.6 Convergence between roof and floor of gob-side entry retaining

此外，沿空留巷頂底板移近量呈現傾斜變形的特點，即巷旁支護墻體一側的頂底板移近量明顯大于煤壁一側的頂底板移近量，如圖7所示。當工作面超前50 m時，沿空留巷煤壁側頂底板移近量約為9.93 mm，而墻體側頂底板移近量約為15.77 mm；當工作面超前100 m時，煤壁側頂底板移近量約為12.28 mm，而墻體側頂底板移近量約為19.39 mm；當工作面超前150 m和200 m時，煤壁側頂底板移近量約為12.9 mm，而墻體側頂底板移近量約為20.4 mm。由此可知，在工作面超前50 m到200 m的過程中，沿空留巷煤壁側頂底板移近量增加29.9%，而墻體側頂底板移近量增加29.4%。

圖7 煤壁側及墻體側頂底板移近量Fig.7 Convergence between roof and floor incoal wall and backfilling body

3 沿空留巷頂底板移近量階段劃分

由礦山壓力與巖層控制[22]可知，沿空留巷側向頂板的破斷形式如圖8所示。在工作面基本頂經歷了初次來壓之后，隨著工作面的繼續推進，基本頂會呈現“O-X”破斷，由此產生弧形三角塊B，弧形三角塊B與巷道上方的基本頂巖塊A與采空區已垮落的基本頂巖塊C相互鉸接，形成鉸接結構，因此弧形三角塊B的穩定性對沿空留巷的穩定性和變性特征起到關鍵作用。沿空留巷頂底板移近量階段如圖9所示。

圖8 側向頂板破斷形式Fig.8 Breaking model of lateral roof

圖9 沿空留巷頂底板移近量階段Fig.9 Stage of convergence between roofand floor of gob-side entry retaining

綜合考慮數值分析結果與理論分析可知，在本區段工作面的回采過程中，根據工作面側向頂板的運動狀態，可將沿空留巷的頂板下沉分為2個階段，即采動影響階段和留巷穩定階段。①第Ⅰ階段：采動影響階段，由于本工作面的回采，采場頂板的破斷、回轉，活動劇烈，沿空留巷頂底板移近量顯著增大，是沿空留巷最困難的階段；②第Ⅱ階段：留巷穩定階段，由于工作面回采后，采場頂板運動趨于穩定，采空區側向支承壓力調整至平衡狀態，沿空留巷圍巖頂底板移近量往往變化不明顯。

由于受到工作面開采影響，距離工作面較近的弧形三角塊B發生破斷、回轉而達到平衡狀態，因此沿空留巷頂板下沉急劇增加，而距離工作面較遠的弧形三角塊B則一端接觸到采空區內垮落的矸石、已經達到了新的平衡狀態，因此沿空留巷頂板下沉趨于穩定。

4 礦壓實測

通過在22103運輸巷布置巷道頂底板移近量觀測站1、2，觀測沿空留巷頂底板移近量與工作面超前距離之間的關系。測站1、2的觀測結果如圖10所示。由圖可知隨著工作面超前距離的不斷增加，沿空留巷頂底板移近量同樣呈現先增加后維持穩定的趨勢，同樣地，沿空留巷煤壁側的頂底板移近量大于墻體側的移近量，即頂底板移近量呈現煤壁側小、采空區側大的形式，即頂板傾斜。在距離工作面近60～70 m處，位移占總位移的80%以上。沿空留巷墻體側頂底板移近量在60 mm左右，而煤壁側最大頂底板移近量為30～50 mm。綜上可知，柳塔礦22103運輸巷沿空留巷頂底板移近量的變化趨勢與數值模擬結果及理論分析具有一致性。

圖10 頂底板移近量現場實測Fig.10 Field measurement of convergence between roof and floor

由實測可知，沿空留巷煤壁側與墻體側的頂底板移近量均小于100 mm，巷道頂底板移近量范圍較小，留巷效果良好，沿空留巷技術在榆家梁礦22103運輸巷得以成功應用，如圖11所示。

圖11 沿空留巷應用效果Fig.11 Application effect of gob-side entry retaining

5 結論

本文以柳塔礦22103運輸巷沿空留巷工程為背景，介紹了沿空留巷主要工藝及關鍵材料，綜合采用FLAC3D數值模擬與現場實測的方法，詳細分析了工作面不同超前距離條件下沿空留巷留巷段頂底板移近量的變化特征。

(1)數值模擬結果顯示，沿空留巷頂底板移近量隨著工作面超前距離的不斷增加呈現先增加后趨于穩定的趨勢，當工作面超前距離小于150 m時，頂底板移近量逐漸增加，而當工作面超前距離大于150 m后，頂底板移近量則維持穩定。

(2)數值模擬結果顯示，沿空留巷巷旁支護墻體一側的頂底板移近量明顯大于煤壁一側的頂底板移近量，即頂板呈傾斜狀態。在工作面超前50 m到200 m的過程中，沿空留巷煤壁側頂底板移近量增加29.9%，而墻體側頂底板移近量增加29.4%。

(3)理論分析可知，根據沿空留巷側向頂板的破斷形式與運動狀態，可將沿空留巷的頂板下沉階段分為采動影響階段和留巷穩定階段。

(4)在現場實測結果顯示，沿空留巷頂底板移近量變化趨勢與數值模擬和理論分析結果相一致，且巷道頂底板移近量均小于100 mm，沿空留巷頂底板移近量較小，留巷效果良好。