综放沿空留巷巷旁充填体设计研究

李怀渊(山西汾西矿业集团 水峪煤业，山西 孝义 032300)

综放沿空留巷巷旁充填体设计研究

李怀渊
(山西汾西矿业集团 水峪煤业，山西 孝义 032300)

为了确定深井综放面沿空留巷巷旁支护体合理参数，基于某矿2302工作面实际情况建立了数值分析模型，确定了能够满足2302工作面前期切顶、后期保持基本顶稳定的支护体所需支护阻力，选择了矸石胶结充填材料，确定了支护体的材料配比，并分析了不同充填体宽度下应力峰值、顶底板移近量、两帮移近量等参数，确定了合理支护体宽度为1.6 m. 现场使用效果表明，该支护体宽度的选择能够有效控制围岩变形。

综放沿空巷道；巷旁充填；矸石胶结；支护阻力；充填体宽度

1 工作面概况

某矿2302工作面采用综采放顶煤工艺，走向长2 570 m，倾向长258 m，采深810 m，煤厚9 m，倾角0～6°，平均3°，巷道断面为矩形，净宽4.5 m，净高3.5 m，采用锚网带索支护方式，并配锚杆锚索加强支护，煤容重为1.39 t/m3，根据工作面情况，沿空留巷模型见图1. 煤层顶底板岩性特征见表1.

图1 沿空留巷平面示意图

2 巷旁充填体阻力计算

2.1巷旁充填体前期切顶阻力计算

巷旁填充体力学模型见图2.

巷旁充填体前期需要一定的支护阻力来切断直接顶，以使破碎的直接顶与煤壁共同支撑基本顶，考虑煤壁的支撑作用，前期巷旁充填体阻力计算公式[1，2]：

(1)

表1 顶底板岩性特征表

图2 力学模型图

式中：

F1—前期巷旁支护阻力，N；

k—应力增高系数，取1.7；

q—直接顶岩层荷载，q=γh(γ为直接顶容重，kN/m3，取25；h为直接顶厚度，m，取2.7)；

M—直接顶岩层在煤壁前方弹塑性交界处的残余弯矩；

a—巷道维护宽度，m，取4.5；

b—巷旁充填体宽度，m，取1.5；

x0—巷旁煤体塑性区宽度，m，取9.0；

σ—巷旁塑性区煤体对顶板的支撑强度，MPa，取2.33.

2.2后期保持基本顶稳定的巷旁支护阻力计算

(2)

式中：

Tb=Lq0(h-ΔSc)/2

Ma、Mb—基本顶岩块B两端的残余弯矩，取0；

Tb—基本顶岩体B受C的侧向水平推力；

h—基本顶岩层厚度，m取4.1；

ΔSc—基本顶岩块C的下沉量；

ΔSb—基本顶岩块B右端的下沉量，取0；

q0—基本顶及上覆岩层的平均载荷，m，取4.1，埋深取810 m，根据公式q0=γh0算得，γ=25 kN/m3，h0=4.1+810=814.1 m；

L—基本顶岩块B和岩块C的长度，即基本顶周期来压步距，算得16 m；

Nb—岩块B对岩块C的侧向剪切力。

按以上参数带入计算式，得到前期巷旁支护切顶阻力F1=7 560 kN/m，后期巷旁支护阻力F2=12 150 kN/m，充填体宽度按1.5 m计算，则前期巷旁支护强度5.1 MPa，后期巷旁支护强度8.1 MPa.

3 充填材料的制备与配比

由文献[3]可知，矸石胶结巷旁充填体初始强度可达5.6 MPa，后期强度达到14 MPa，能够满足支护体对支撑力的要求，同时由于其取材方便，采出的矸石不需要再运输提升至地面，因此成本最低，所以最终选用矸石胶结充填工艺。

在矸石胶结充填成本中，水泥费用所占比例最大，因此在保证留巷安全的条件下，为节约成本，水泥的用量应该尽可能小，在矸石胶结充填材料中，水泥用量一般为材料总重量的3%～5%，此外，火山灰、粉煤灰、炉渣等也具有一定的胶结性能，可部分替代水泥，减少水泥消耗量，减低成本，这些材料还可以填充大块骨料之间的间隙，增大充填密实度。

由于综放面沿空留巷对充填体强度有较高的要求[4]，而充填体强度又与骨料的颗粒度有直接联系，骨料的颗粒度过大会导致料浆离析分层，从而巷旁充填体的密实度降低，导致巷旁充填效果差，除此之外，最大颗粒度应满足充填系统输送的需要，颗粒度过大会导致管道堵塞，据相关煤矿实践生产经验，初步确定矸石粗细骨料配比，即-30 mm矸石集料：分级尾砂=50 μm，水泥消耗量190～210 kg/m3，粉煤灰∶水泥=1∶1.

据相关煤矿实践生产经验，细骨料与粗骨料的比例要符合要求，即+5 mm粗骨料占比约为75%，-5 mm细骨料占比约为25%.

充填料浆的浓度对充填系统能否正常运行具有重要意义，在矸石胶结充填过程中，应该尽量采用较高浓度料浆充填，这样既能提高充填体强度，又能减小料浆发生离析分层的可能性，还可以减少水泥用量以达到节约成本的目的。在已采用矸石胶结充填的矿井中，充填料浆的浓度可以达到90%.而充填料浆的浓度又不能过大，其浓度应该保证料浆具有良好的流动性，这样才能够在浇注时通过矸石间隙，提高巷旁充填体的密实度，与矸石形成一个致密的充填体。

4 巷旁充填体宽度的确定

巷旁充填采用矸石胶结材料，巷旁充填参数主要考虑充填体宽度，在此结合FLAC3D数值模拟软件[5]，提出5个充填体宽度对比方案，如下所示：

根据地质条件，将模型划分为7层，为模型简化，采用0度建模，brick模型长宽高分别为260 m、300 m、150 m，巷道的宽和高分别为4.5 m、3.5 m，回风平巷的位置为x(0，260)，y(270，274.5)，z(38.5，47.5)，充填体宽度为1.5 m，位于回风平巷采空区侧。岩体力学参数表见表2.

表2 岩体力学参数表

具体模拟方案如下：

方案一：充填体宽度1.2 m

方案二：充填体宽度1.4 m

方案三：充填体宽度1.6 m

方案四：充填体宽度1.8 m

方案四：充填体宽度2.0 m

应力峰值见表3.

由表3可以看出，随充填体宽度的增加，应力峰值不断变大，变化倍数在不断减小。

不同充填体宽度条件下2302工作面回风平巷巷道的顶板移近量、底板移近量、顶底板相对位移量见表4.

表3 不同充填体宽度条件下应力峰值表

表4 不同充填体宽度对顶底板移近量的影响情况表

由表4可以看出，充填体宽度从1.2 m变化到1.4 m，顶板移近量、底板移近量、顶底板相对移近量变化较为明显，充填体宽度从1.4 m增加到1.6 m，顶板移近量、底板移近量、顶底板相对移近量变化也较为明显，而从1.6 m变化到1.8 m以及从1.8 m增加到2.0 m时，变化不如前两次明显，证明充填体宽度的增大对巷道的支护作用不明显。

不同充填体宽度条件下2302工作面回风平巷巷道的充填体帮移近量、实体煤帮移近量、两帮相对移近量见表5.

表5 不同充填体宽度对两帮移近量的影响情况表

由表5的数据可以看出，充填体宽度从1.2 m变化到1.4 m，充填体帮移近量、实体煤帮移近量、两帮相对移近量变化较为明显，充填体宽度从1.4 m增加到1.6 m，充填体帮移近量、实体煤帮移近量、两帮相对移近量变化也较为明显，而从1.6 m变化到1.8 m以及从1.8 m增加到2.0 m时，变化不如前两次那么明显，证明充填体宽度的增大对巷道的支护作用不明显。

综上分析，为了使2302工作面巷道位移尽可能小，并且减小材料与资金的消耗，充填体宽度取1.6 m最为合适。

目前，2302工作面已经回采结束，留巷巷道没有进行二次维护并且满足工作面回采要求，现场测试工作面回采时巷道两帮最大移近量为350 mm，巷道顶底板最大移近量为340 mm，沿空留巷取得成功。

5 结 论

现阶段煤矿广泛选用矸石胶结充填作为巷旁充填方式。本文对充填材料的制备与配比进行了分析，数值模拟了不同充填体宽度下留巷围岩变形量，通过对得出的数据进行对比分析，并综合考虑支护效果与资金消耗，确定了最佳充填体宽度取1.6 m，且现场使用效果表明，该支护体宽度的选择能够有效控制围岩变化。

[1] 陈明阳.基于薄板理论的条带充填宽度研究[J].能源技术与管理,2016(4):38-39.

[2] 柳宏儒.条带充填法煤柱稳定性影响因素数值模拟试验研究[D].沈阳:东北大学,2008.

[3] 肖永生.粉煤灰充填材料管道输送特性及其应用研究[D].太原:太原理工大学,2016.

[4] 张东升.缪协兴.综放沿空留巷充填体稳定性控制[J].中国矿业大学学报,2003(3):52-54.

[5] 吕富强.动力扰动对充填体稳定性影响的数值模拟研究[J].西部探矿工程,2016(10):53-55.

ResearchonDesignofFillingBodysbesideRoadwaysinFully-mechanizedCavingRoadway

LIHuaiyuan

The numerical analysis model was built based on the actual situation of 2302 working face. The gangue is chosen as backfill materials with cementation of other materials in a certain proportion. The reasonable supporting body width is 1.6 m. The result indicates that the width for backfill support control the deformation of surrounding rock effectively.

Fully-mechanized caving roadway; Roadside filling; Coal gangue; Supporting resistance; Filling belt width

·技术经验·

2017-08-03

李怀渊(1974—)，男，山西平遥人，2015年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事煤矿安监工作，(E-mail)zfg3259@163.com

TD853.34

B

1672-0652(2017)10-0037-04