坚硬顶板沿空留巷巷旁充填体合理宽度确定研究

张青春

【摘 要】 巷旁充填体宽度是沿空留巷巷道一个重要参数，不同围岩条件下，巷旁充填体合理宽度各不相同。山西某矿顶板为砂岩，属于坚硬顶板，通过采用数值模拟技术手段对2.0m～3.5m充填体宽度下的围岩受力及稳定性进行分析，综合确定3.0m充填体宽度时围岩应力及变形均在合理范围内，在确保留巷稳定前提下可以减少矿井留巷投入及作业人员劳动强度。现场试验结果也表明，充填体材料选用CHCT膏体混凝土并添加3cm碎石、钢筋网，留设3.0m宽度可以有效对留巷围岩进行控制，确保巷道使用安全，满足矿井高效生产需要。

【关键词】 坚硬顶板;沿空留巷;充填体;围岩变形;合理宽度

【中图分类号】 TD353 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）06-0010-03

沿空留巷是煤矿实现无煤柱开采的重要手段，不仅可以提升煤炭采收率，而且可以降低巷道掘进效率，同时还可以消除留设煤柱对下方煤层开采时造成的应力集问题。巷旁充填结构是沿空留巷的重要组成单元，其宽度是否合理直接关系到是否能成功留巷。巷旁充填体宽度过大，会增加矿井生产成本以及作业人员劳动强度;充填体宽度过窄则会使沿空留巷巷道围岩稳定性降低，增加留巷难度。坚硬顶板易积聚大量的能量，沿空巷道受动压影响，顶板易垮落释放巨大的能量，影响巷道的安全掘进。文中以山西某矿12306沿空留巷巷旁充填体留设为研究对象，采用数值模拟技术手段，对不同宽度充填体内应力、围岩变形等参数进行分析，以期能确定合理充填体宽度，为后续矿井生产创造良好条件。

1 工程概述

12306沿空留巷工作面埋深在370m～430m间，平均埋藏深度在395m，采面设计斜长215m，走向长度为679m，开采3号煤层，煤层平均厚度在4.12m，倾角在3～8°，平均约5°。3号煤层直接顶为厚度在1.2m左右粉砂岩，硬度（f值）在6左右;基本顶为厚度5.3m中砂岩，硬度（f值）在7.5。3号煤层直接顶、基本顶硬度均较大，属于坚硬顶板;直接底为砂质泥岩，厚度值在3.7m左右。12306回采工作面开采采用综采方式，回采巷道掘进期间采用锚网锁联合支护形式，回采前预先对留巷巷道进行加固。具体的煤层顶底板各岩层如表1所示。

2模拟分析

采用FLAC软件对不同的巷旁充填体宽度下的巷道围岩变形、充填体内应力分布等进行分析，模拟分析的充填体宽度分别为2m、2.5m、3m以及3.5m。根据沿空巷道地质条件，模型网格划分为380m×464m×45m的力学模型，材料参数如表2所示，垂直方向施加5.5MPa应力，水平侧压系数为1。

2.1不同充填体宽度下沿空留巷巷道体形变化

具体的不同充填体寬度下沿空留巷巷道体形变化直观图如图1所示。

从图1可以看出，充填体宽度在2m～2.5m间时，巷旁充填体出现较大变形，留巷体系整体稳定性较差;当充填体宽度在3.0m～3.5m时，充填体变形量、巷道顶板下沉量以及煤壁变形量等均较小，整个沿空留巷体系能够保持整体稳定。

2.2不同宽度充填体内垂直应力分布

具体不同宽度充填体内垂直应力分布如图2所示。

从图中可以看出，随着充填体宽度增加，充填体内的高应力承载区范围以及最大承载能力都随之变大。

当充填体宽度从2.5m增大至3.0m时，巷旁充填体内最大垂应力从9.1MPa增大至12.4MPa，垂向应力增长幅度为36.8%;当巷旁充填体宽度从3.0m增大至3.5m时，充填体内垂向应力从12.4MPa增大至14.2MPa，充填体内应力增长幅度仅为14.5%。充填体内垂向最大应力随充填体宽度变化表明，巷旁充填体增加到一定宽度后，充填体可以承受较大支持压力且不出现较大变形。

2.3不同充填体宽度下实体煤帮垂向应力分析

具体不同充填体宽度下实体煤帮垂向应力变化情况如图3所示。

从图中可以看出，实体煤帮在距离煤壁3m距离时开始出现较高垂向应力，随着充填体宽度不断增加，距煤壁3m位置处的垂向应力呈现出逐渐降低趋势。当充填体宽度从2.5m增加至3.0m时，实体煤帮距煤壁3.0m位置处的垂向应力值从23MPa降低至16MPa，垂向应力降低幅度约为28%;当充填体宽度从3.0m增加至3.5m时，实体煤柱侧距离煤壁3m位置处的垂向应力从16MPa降低至15MPa，降低幅度为6.7%。表明，充填体宽度为3.0m时可以给巷道顶板提供加大支撑力，从而使得巷道上覆基本顶受力趋于均衡，可以降低基本顶弯曲下沉给煤帮侧带来的应力集中程度。

2.4不同充填体宽度下巷道顶板及充填体下沉量分析

具体不同充填体宽度下巷道顶板及充填体下沉量变化情况如图4所示。

从图中可以看出，当充填体宽度达到一合理范围时，巷道顶板及充填体垂向下沉量都出现快速降低趋势。当充填体宽度从2.5m增加至3.0m时，直接顶及充填体下沉量降低明显，平均降低幅度约在40%;当充填体宽度继续增加时，直接顶及充填体下沉量降低幅度显著降低，且直接顶及充填体垂向下沉量值均处于低位。这表明，充填体宽度在3m时，可以有效对巷道顶板岩层进行支撑，提高巷道围岩整体稳定性及承载能力，充填体承受较大巷道顶板压力时，可以保证自身结构稳定且不发生破坏。

2.5不同充填体宽度下充填体及实体煤帮侧向位移变化分析

不同充填体宽度下充填体及实体煤帮侧向位移变化情况见图5。

从图中可以看出，当充填体宽度从2.5m增加至3.0m时，充填体侧及实体煤侧的侧向位移量降低幅度明显，平均达到36%;当充填体宽度从3.0m增加至3.5m时，充填体侧及实体煤侧的侧向位移量降低幅度平均值约为8%。表明充填体宽度为3m时可以对巷道两帮侧向位移量变化进行控制，有效降低巷道整体变形量，确保巷道具有足够的实用断面。

3工业实践

根据数值模拟结果，矿井采用3m宽充填体进行工业试验。巷旁充填选用CHCT膏体混凝土，并在混凝土内适当添加直径在3cm碎石，为了提升巷旁充填材料强度及支撑能力，在充填墙体内布设一定间距钢筋网。为了验证充填体对巷道支撑效果，在试验段布置测点，对充填体内的垂向位移及巷道围岩变形情况进行检测，具体结果见图6所示。

从图6中可以看出，在巷道上覆基本顶出现弯曲下沉过程中，3m宽充填体可以给巷道顶板提供足够的支撑力，充填体内最大垂向应力值为16MPa，与数值模拟中的充填体内的垂向应力值接近，充填体未出现破坏性变形;从巷道围岩变形监测结果可以看出，在监测期采面后方28m位置处，巷道顶板最大下沉量值为85mm，充填体最大垂向变形量值为139mm，实体煤帮及充填体帮总收敛量为151mm，巷道围岩变形结果与数值模拟结果整体相似。现场工业试验观测结果表明，充填体采用巷旁充填体材料选用CHCT膏体混凝土并添加3cm碎石钢筋网，留设3.0m宽度可以有效对留巷围岩进行控制，确保巷道使用安全。

4结论

顶板坚硬情况下沿空留巷巷道存在一个合理的巷旁充填体宽度，既可以满足巷道围岩控制需要，又可以降低井下作业人员劳动强度及矿井留巷投入。

选用合理的巷旁充填体宽度在确保充填体自身结构稳定前提下可以给巷道顶板提供足够支撑，从而降低巷道頂板下沉量及实体煤帮位移量值;同时合理充填体宽度可以降低实体煤帮内的最大垂向应力值，避免应力过大造成煤帮出现显著破坏。

通过数值模拟结果，12306沿空留巷采用3m宽充填体是合理的，现场工业试验也表明，充填体材料选用CHCT膏体混凝土并添加3cm碎石、钢筋网，留设3.0m宽度可以有效对留巷围岩进行控制，确保巷道使用安全，满足矿井高效生产需要。

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