高河礦切頂沿空留巷充填墻體合理寬度研究

王煥斌

（山西高河能源有限公司，山西 長治 047100）

沿空留巷作為一種提高煤炭資源回收率、緩解采掘接替緊張的護巷技術之一，在我國被廣泛使用[1-3]。在條件較好的薄煤層及中厚煤層，沿空留巷技術已逐漸成熟，留巷效果均較理想，但在條件較復雜的厚煤層中，保留的巷道仍存在維護較困難的問題。影響沿空留巷效果的主要是巷旁充填墻體的材料、寬度及巷內的支護方案等[4-5]。

在充填體材料方面，已有了較成熟的研究成果，這些材料具有凝結速度快、早期強度高、密閉性好等特點，為我國沿空留巷技術的發展奠定了堅實的基礎[6]。在充填墻體寬度及支護方面，眾多學者也做了大量的研究，何滿潮等[7]對工作面采空區側頂板進行了切頂卸壓，通過建立的力學模型，推導出巷旁支護阻力的計算方法；陳勇等[8]運用數值模擬的方法，結合現場試驗，分析了不同充填體寬度對留巷效果的影響，以此確定出合理的巷旁充填體寬度；譚云亮等[9]提出巷旁充填墻體應適應頂板的變形載荷，并給出了充填體強度的計算公式，以此確定出合理的支護方案；張東升等[10]綜合運用數值模擬及相似模擬實驗相結合的方法，給出了充填體強度、應變及頂板下沉量等數值的估算公式。

該文以高河煤礦E2311 工作面沿空留巷為工程背景，考慮到工作面埋深大，巷道留巷來壓劇烈，單純的沿空留巷技術難以保證留巷效果，因此，提出“超前切頂+沿空留巷”的方案。

1 工程概況

E2311 工作面位于東二盤區，主采3#煤層，煤層穩定，煤厚6.19～6.85 m，平均6.5 m。全煤間夾有一層碳質泥巖夾矸，厚度0.05～0.25 m，平均厚度0.20 m。煤厚傾角為1°～7°，平均3°。煤層具體頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板結構

E2311 工作面為東二盤區工作面，工作面南、北均為未采區，東邊為礦界，西邊為+450 m 水平北翼大巷。工作面底板標高+484.0～+535.0 m，最高點和最低點高差為51 m，巷道底板最高點位于E2311 切眼，最低點位于E2311 進風順槽“JF12”測點附近。工作面進風順槽全長1733 m，回風順槽全長1967 m，工作面切眼長度320 m，進風巷凈寬5800 mm，凈高3900 mm，凈斷面22.62 m2。

為了加強工作面的通風管理，減少煤炭資源浪費，根據兩進一回通風布置方式，需要將E2311工作面進風順槽保留，供下個工作面使用。由于E2311 工作面頂板為粉砂巖、細砂巖等堅硬巖層，進行沿空留巷時，厚硬的頂板垮落不及時，會對墻體產生劇烈的載荷，不利于沿空留巷的穩定，可采用超前預裂切頂、滯后布置充填墻體的方式進行沿空留巷。為確保沿空留巷的穩定性，需對切頂后巷旁柔模混凝土墻體的合理寬度進行確定。

2 超前切頂沿空留巷方案

采用聚能爆破的方式進行巷道超前預切頂，根據以往的切頂經驗，爆破孔深度可由下式計算[11]：

式中：Hf為切頂高度，E2311 工作面基本頂厚度為10～25 m，按最大厚度分析，取切頂高度為18 m；α為爆破孔向工作面側傾斜的角度，取10°。

由式（1）計算得出工作面超前切頂爆破孔深度為18.38 m。為便于施工，保證基本頂順利切落，并考慮到頂板厚度變化情況，爆破孔深度取20 m。

超前切頂及充填體沿空留巷如圖1。切頂炮孔深度為20 m，孔徑為50 mm，傾斜角度為10°，炮孔間距800 mm。超前切頂的同時，在工作面后方的巷道內，沿采空區側澆筑充填墻體，充填材料為C30 混凝土，其強度34.5 MPa。

圖1 超前切頂及充填留巷方案示意圖

3 數值模擬分析

3.1 建立模型

為確定出充填體的合理寬度，根據E2311 工作面的實際賦存條件及理論計算結果，采用FLAC3D數值模擬軟件建立了切頂后不同充填墻體寬度（1.4 m、1.8 m、2.2 m、2.6 m、3.0 m）的計算模型，模擬分析工作面開挖后不同寬度充填墻體下的應力分布特征。模型尺寸統一為長×寬×高=200 m×100 m×70 m；在模型上邊界施加9.5 MPa 的垂直均布載荷，以模擬覆巖壓力，模型四周及下邊界采用位移邊界條件約束；模擬單元均遵循摩爾庫倫破壞準則。模擬中煤巖體物理力學參數見表2。

3.2 切頂前后留巷穩定性對比分析

圖2 及圖3 為相同充填墻體寬度下，切頂前后圍巖應力及位移分布云圖。

圖2 切頂前后巷道圍巖應力云圖

圖3 切頂前后巷道圍巖位移云圖

由圖2 及圖3 可知，未對巷道進行超前切頂時，留巷段圍巖應力集中程度較明顯，其煤柱幫內應力峰值達到了22.6 MPa，且與巷幫距離較近，巷道頂板最大下沉量達到了800 mm 左右，此時巷道處于高應力環境下，圍巖變形較為劇烈，不利于留巷段的穩定；而對巷道進行超前切頂后，留巷段圍巖應力集中情況有所緩減，其煤柱幫內的應力峰值降低至13 MPa，相比切頂前降低了42.48%，而頂板最大下沉量也降低至350 mm 左右，相比切頂前降低了56.25%，巷道變形量明顯降低，應力環境得到改善。說明超前切頂可切斷巷道內頂板與采空區頂板間的應力傳遞，進而改善留巷段圍巖的應力環境，提高沿空留巷的穩定性。

3.3 切頂后留巷墻體寬度確定

1）應力分析

圖4 為超前切頂條件下不同寬度墻體內的垂直應力分布情況。

圖4 不同寬度墻體內的垂直應力分布

由圖4 可知，墻體內垂直應力由巷內側向采空側呈先降低后增高的趨勢，應力主要集中在采空區側。墻體內的應力峰值隨著充填墻體寬度的增大而減小，墻體寬度為1.4 m 及1.8 m 時，墻體內垂直應力的變化幅度較大，應力偏向集中程度較高，不利于墻體的穩定，其應力峰值分別為35 MPa 和33 MPa；而當墻體寬度增加至2.2 m 后，墻體內的垂直應力變化幅度降低，應力逐漸呈均勻分布，充填墻體的承載能力較強，穩定性較好，其應力峰值為23 MPa，相比1.8 m 墻體寬度降低了30.3%；墻體寬度為2.6 m 及3.0 m 時，墻體內垂直應力峰值分別為20.1 MPa 及19.8 MPa，與2.2 m 墻體寬度下變化不明顯，對穩定性的影響無較大差別。

圖5 為不同墻體寬度下煤柱幫垂直應力分布情況。

圖5 不同寬度充填墻體下煤柱幫垂直應力分布

由圖5 可知，隨著墻體寬度的增大，煤柱幫內的垂直應力逐漸減小。當墻體寬度為1.4 m 及1.8 m時，煤柱幫內的應力較大，其應力峰值分別為14.5 MPa 及13.8 MPa；當墻體寬度為2.2 m 時，煤柱幫的應力峰值為11.6 MPa，相比1.4 m 墻寬下降低了20%；墻體寬度增加至2.6 m 及3.0 m 時，煤柱幫應力峰值分別為10.7 MPa 及10.6 MPa，相比2.2 m 墻寬下僅降低了8.6%，變化不明顯。說明2.2 m 墻體寬度下，充填墻體已具備較好的承載能力，能夠承擔大部分頂板載荷，有效減輕煤柱幫的應力集中程度。

2）位移分析

圖6 為不同充填墻體寬度下巷道頂板變形情況。

圖6 不同充填墻體寬度下巷道頂板變形情況

由圖6 可知，巷道頂板下沉量同樣隨著墻體寬度的增大而降低，墻體越寬，對頂板的支護作用越強，頂板越穩定。充填墻體寬度為1.4 m 時，其巷道頂板最大下沉量為490 mm；充填墻體寬度為1.8 m 時，頂板最大下沉量為440 mm，相比1.4 m 墻寬降低了10.2%；當墻體寬度增加至2.2 m 時，頂板最大下沉量降低至350 mm，相比1.8 m 墻寬降低了20.5%；而墻體寬度為2.6 m 及3.0 m 時，頂板最大下沉量相比2.2 m 墻寬分別降低了5.7%和16.8%，降低幅度較小。

3）巷道塑性破壞分析

圖7 為不同充填墻體寬度下巷道圍巖及墻體的塑性區分布情況。

圖7 不同充填墻體寬度下巷道塑性區分布

由圖7 可知，隨著充填墻體寬度的增大，圍巖塑性區范圍逐漸縮小。充填墻體寬度由1.4 m 增加至2.2 m 時，圍巖及墻體塑性破壞區范圍明顯縮小；充填墻體寬度增加至2.6 m 時，圍巖塑性區范圍相比2.2 m 墻體寬度下未發生明顯變化，充填墻體內的彈性區范圍有所增加；但充填墻體寬度增加至3.0 m 時，雖然充填墻體內的彈性區寬度有所增大，但圍巖塑性區范圍也有一定幅度的擴大。因此，充填墻體寬度為2.2 m 時，充填墻體內有足夠的彈性核區，其完整性較好，具有較好的承載性能，且圍巖破壞范圍與2.6 m 寬度墻體時相差不大。

綜合數值模擬結果可知，超前切頂后，巷道穩定性隨著巷旁充填墻體寬度的增加而提高，但充填墻體寬度增加至2.2 m 后，繼續增大墻體寬度對巷道穩定性的影響不再明顯。因此，確定合理的巷旁充填墻體寬度為2.2 m。

4 現場實踐

4.1 巷道支護方案

1）巷旁充填體的充填材料

C30 泵柱混凝土初步配合比見表3。

表3 C30 泵注混凝土初步配合比 kg

混凝土基材質量技術標準：

水泥：42.5R 普通硅酸鹽水泥；

砂子：二區中砂，水洗砂，泥或石粉含量小于3%；

石子：5～20 mm 連續級配碎石，含泥量小于1%，石粉含量小于0.5%。

2）柔模混凝土墻支護參數

柔模混凝土模板為高強度柔模袋，沿采空區無縫連續澆筑。柔模袋規格為2000 mm×1500 mm×4200 mm、3000 mm×1500 mm×4200 mm、4000 mm×1500 mm×4200 mm，柔模袋預留孔內穿好錨桿，錨桿兩頭上好鋼帶、托盤和螺栓，錨桿間排距800 mm×900 mm，錨桿規格Φ22 mm×1650 mm，鋼帶使用Φ14 mm 圓鋼，長1.7 m。柔模混凝土墻距進風順槽外幫4.0 m。

切頂擋矸設計：工作面199#支架至機尾段（共5 架）頂板鋪設聯接10#雙層金屬經緯網，工作面割煤后緊跟支架尾梁沿采空區打設點柱。單體柱與圓木點柱間隔打設，單體柱中對中間距500 mm，木點柱中對中間距500 mm，按打一根單體柱打一根圓木順序操作。單體柱與圓木必須穿鞋戴帽，鞋板規格為250 mm×250 mm×40 mm，帽的規格為250 mm×250 mm×40 mm。掛設柔模包前，必須及時將單體柱回撤，嚴禁將單體柱打入采空區。若采用以上方法，柔模打設空間無法保證時，可在割煤后緊跟排尾3#架尾梁沿采空區打設一梁兩柱圓木大板棚進行支護，棚距800 mm，大板長度1.0～1.5 m。

待澆筑空間支護設計：臨時支護為一梁二柱單體柱道木抬棚，永久支護為柔模混凝土澆筑。

巷內臨時加強支護設計：在超前工作面40 m和滯后工作面180 m 范圍內，采用“單體液壓支柱+π 型梁”臨時加強支護，超前工作面為一梁（3.6 m）二柱配合一梁（3.6 m）二柱抬棚聯合支護，沿空留巷為一梁（3.6 m）三柱，單體柱π 型梁棚棚距800 mm。

3）柔模打設要求

① 進風順槽存在巷道高頂區，回采過程中原有柔模規格進行支護無法滿足巷高要求，需更換對應規格的柔模包進行支護。

② 按照每月的回采計劃，提前統計計劃回采區段內的高頂區，根據高頂區的高度向廠家定制相應規格的柔模包。

③ 為保證柔模的穩定性，在柔模打設完成后，緊貼柔模包打設4.5 m 的單體柱護包，若單體住仍不能接頂則在單體柱與巷道底板之間墊大板或方木，確保單體柱接頂嚴實。

④ 由于柔模包高度增加，為防止墜包，在單體柱靴上方緊貼柔模墻橫向固定一根大板，并在橫向大板與巷道外幫之間打設單體柱，柱間距2 m。

4.2 應用效果分析

為驗證超前切頂及2.2 m充填墻體的留巷效果，在試驗段巷道內布置測點，對其頂板的變形情況進行監測分析，監測結果如圖8。

圖8 沿空留巷頂板變形監測結果

由圖8 可知，隨著工作面的推進，留巷段在頂板來壓的影響下，頂板下沉量快速增大。在充填墻體留設90 d 后，巷道頂板變形量逐漸趨于穩定，最大下沉量為36 cm，變形量較小，滿足礦井安全高效生產需求。

5 結論

1）通過理論分析確定出E2311 工作面超前切頂的炮孔深度為20 m，并設計了巷道超前切頂及充填留巷方案。

2）通過FLAC3D數值模擬軟件分析了切頂后、不同寬度巷旁充填墻體下的巷道應力分布及變形情況，得出合理的巷旁充填墻體寬度為2.2 m。

3）現場礦壓監測結果表明，工作面推進后，初期巷道頂板下沉量快速增大，在充填墻體留設90 d 后，巷道頂板變形量逐漸趨于穩定，最大下沉量為36 cm，變形量較小，滿足安全高效生產需求。