浅埋深沿空留巷充填体载荷估算方法探讨与实践

吴志刚,魏 斌

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；4.鄂尔多斯市昊华红庆梁矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

沿空留巷是指利用木垛、密集支柱、矸石带、低强度高水材料、高强度高水材料和膏体材料等多种材料，在采空区边缘施工一道充填体(可看作人造“煤柱”)。充填体有多种用途：一是承载作用，能够承受一定结构上覆岩层载荷，形成普通巷道；二是密闭作用，防止采空区瓦斯和水的泄漏等等[1-5]。沿空留巷技术取消了工作面煤柱，可以提高煤炭资源采出率，减少巷道掘进量；还可以消除上隅角瓦斯超限，实现煤与瓦斯共采等[6]。

国内众多学者提出过充填体载荷计算公式。吴健[1]、孙恒虎[7]根据力矩平衡分别提出了充填体载荷的计算公式；李化敏[8]、李迎富[9]、张农[10]、韩昌良[11]等通过分析上覆岩层的关键块体，提出充填体工作阻力计算公式和留巷结构控制原理；袁亮等[12]分析上覆岩层侧向砌体梁绞式平衡结构，提出沿空留巷围岩的“大-小”结构模型。涂 敏[13]根据顶板挠曲运动方程，计算充填体支护阻力；谭云亮[14]根据充填体变形和载荷特性，计算巷旁充填体强度。上述学者研究主要集中在埋深较大矿井的沿空留巷，充填体局部破裂，巷道变形大，整体呈给定变形特性。

而杨继元[15]、王海兵[16]等研究了埋深100m左右的榆家梁煤矿43308工作面柔模混凝土巷旁支护的施工工艺及沿空留巷矿压显现规律，巷中顶底板位移量为40mm。杨俊彩[17]、李雪佳[18]等采用理论分析和现场实测研究了埋深接近260m的上湾煤矿中沿空留巷锚杆支护、留巷宽度、柔模混凝土宽度等参数，监测的巷道顶底板最大移近量119mm。可见在浅埋深沿空留巷过程中留巷整体变形小，留巷稳定性好。但是充填体载荷相对较大，具有明显浅埋深特性，因此需要对浅埋深充填体承载特性和载荷估算等进行研究，为浅埋深留巷充填体设计提供理论参考。

1 浅埋深混凝土充填沿空留巷矿压显现特征

沿空留巷技术在20世纪70年代后期在我国广泛使用，早期主要集中在埋深为100～300m巷道，巷旁支护材料主要为矸石带、木垛、高水速凝材料、石灰袋等多种材料，上述充填材料变形能力强。杨庄矿曾用梯形金属棚和矸石带作为联合支护进行留巷，巷道变形大，顶底移近720mm；开滦唐家庄矿留巷可缩性支架与木垛联合支护，木垛可缩量高达留巷高度的40%～50%。矸石带和木垛的典型特点为早期强度低、后期强度高、承载慢、变形大，巷道基本都是“给定变形” 状态。

而现在使用的柔模混凝土早期强度高，4h能够达到早期强度，满足巷道外侧快速承载，采空区内切顶的要求。浅埋深柔模混凝土沿空留巷中，巷道变形和锚杆锚索载荷等矿压规律也分为前期、中期、后期3个不同阶段。早期时，充填体早期强度和锚索锚杆的联合支护，形成较大切顶能力，充填体上部岩层开采垮落，初步形成倒台阶岩层结构，表现为顶底板、两帮移近速度慢，充填体载荷小，巷内单体支柱载荷较小。中期时，随着工作面推进，充填体上部岩层分层垮落高度达到最大，充填体载荷最大，表现为顶底板、两帮移近速度快，占全部变形量的50%～80%，充填体载荷快速增加并达到最大。后期时，随着工作面远离，充填体上部岩层充分垮落和采空区破碎围岩体压实，上覆岩层再平衡，并稳定，表现为顶底板、两帮移近量增大，最终趋于稳定；如果较早撤出单体支柱等辅助支护，锚杆锚索端部载荷会呈急增阻特性；充填体载荷有所下降，并趋于稳定。在沿空留巷整个过程中，巷道整体呈现控制变形的特性，充填体的载荷较大。

2 充填体载荷估算方法探讨

以上学者对浅埋深沿空留巷的研究中,主要研究集中在充填工艺、留巷矿压规律分析等,少有对留巷的充填体载荷进行估算以及载荷验证等工作。充填体是一个人造煤柱，在煤柱载荷分析研究中，Mark研究大量实际案例，考虑侧向载荷对煤柱稳定性的影响，提出长壁工作面煤柱载荷的计算方法[19]，认为一次回采结束后煤柱中承担的最大载荷可以表示为：

Lmax=Lt+LsR

根据浅埋深柔模混凝土沿空留巷特征，充填体控制巷道顶板变形，能够承载全部上覆岩层。结合Mark长壁煤柱稳定性分析法和工作面顶板岩层移动规律，提出沿空留巷充填体承载结构如图1所示。根据面积分摊法，充填体承载上覆岩层包括：巷道宽度一半上覆岩层、充填体全部和采空区侧向支承角上部岩层，如图1中虚线包围岩层。文献[19]研究不同煤矿、不同岩层侧向支承角取值范围。中硬顶板条件下，煤柱侧向支承角θ近似20°，软弱顶板近似10°，坚硬顶板近似30°。

图1 充填体承载结构示意

充填体载荷估算公式：

式中，A为留巷巷道宽度；B为充填体宽度；h为垮落带高度(参见建筑物下水体下导水裂缝带计算公式，公式见表1，式中M为采高)；θ为侧向支承角(取值见表1)；H为工作面埋深；γ为工作面上覆岩层容重，0.025～0.027N/mm2。

表1 载荷计算公式参数

3 工程验证

榆家梁煤矿43308工作面采用柔模混凝土沿空留巷,工作面平均埋深100m，走向长度为2147m，工作面长度为300m，煤层平均厚度1.87m，倾角1°～ 3°，在43308工作面上部42208 工作面采空塌陷区，距离13～17m，平均15m。43308运输巷道掘进宽度5.5m，留巷宽度4.5m，柔模混凝土宽度为1m，混凝土标号为C20[15]。

文献[15]现场实测充填体的载荷为10MPa，载荷估算公式较好吻合现场实测数据，无论裂缝带取高值还是中值，充填体载荷估算公式计算结果都小于充填体设计强度。理论计算结果证明沿空留巷是成功的，这和现场实测数据及应用效果一致。

4 探讨与结论

(1)实践表明，巷道埋深浅并不意味充填体载荷小。在浅埋深沿空留巷过程中需要充填体能够控制巷道变形，不仅需要充填体具有较高早期强度、切顶能力，而且需要充填体后期强度高，承载能力强，能够满足工程需要。

(2)在高强度柔模混凝土沿空留巷载荷估算分析中，把充填体看作一个煤柱，结合长壁煤柱载荷分析方法，提出充填体载荷的估算公式。该公式包括采高、留巷宽度、充填体宽度和巷道顶板岩性等关键参数。为留巷宽度、充填体宽度和充填材料及强度选择提供基础，减少沿空留巷参数设计的盲目性。

(3)载荷估算公式在软弱顶板条件下，比较符合现场实测的充填体载荷，仍需要在中硬顶板、坚硬顶板等条件下进一步验证。