巷旁充填沿空留巷无煤柱开采围岩稳定性分析

郝 龙

（西山煤电（集团）有限责任公司，山西 太原 030053）

随着巷旁充填技术的发展和完善，其在沿空留巷中的应用日益广泛。王谞杰[1]通过FLAC3D数值模拟软件研究了新大地矿8101 工作面不同充填体参数下沿空留巷围岩变形规律，确定了巷旁充填体的最佳宽度。 巩跃斌等[2]基于对余吾矿不同充填体宽度下沿空留巷围岩应力和变形量的分析，确定了巷旁充填体合理宽度为1.5 m。 王晓虎等[3]以顾桥矿1115（1）工作面沿空留巷为工程背景，分析了深部复合顶板条件下巷旁充填体宽度对巷道围岩稳定性的影响。 张东升等[4]基于对沿空留巷顶板变形规律的分析，提出了巷旁充填体宽度设计标准。 张琦等[5]采用数值模拟的方法研究了充填体宽度影响下沿空留巷围岩变形及应力分布规律。 邓雪杰等[6]研究了巷旁充填体宽度为2～6 m 时沿空留巷围岩移动破坏特征， 确定了唐口矿9303 工作面沿空留巷巷旁充填体合理宽度为4.1 m。 郑强强等[7]采用理论分析和数值模拟相结合的研究方法，分析了巷旁充填体宽度对沿空留巷围岩变形的影响规律，确定了潘一东矿1252（1）工作面巷旁充填体的合理宽度为2～3 m。 综上所述巷旁充填体宽度设计是否合理是影响沿空留巷稳定性的关键因素之一。 因此，以西铭矿42206 工作面沿空留巷为工程背景，通过对比分析不同宽度巷旁充填体宽度影响下中厚煤层沿空留巷围岩变形规律，确定了最佳巷旁充填体宽度，对工作面安全生产具有一定的指导意义。

1 工程概况

42206 综采工作面位于西十二采区， 工作面走向长657 m，斜长201 m，开采2#煤层。 2#煤层埋深为419 m，采用走向长壁后退式开采方法，全部垮落法管理顶板。 42206 工作面南、北、西和东依次紧邻42208 采空区、42204 工作面（设计）、左翼回风巷及42018 和42020 采空区，42206 工作面平面布置见图1。 2#煤层厚度为1.60～2.10 m， 煤层均厚1.80 m；煤层倾角为1°～4°，平均倾角为2°；煤层结构简单，为稳定的中厚煤层。 为缓解2#煤层实际开采过程采掘接续紧张的矛盾，提高煤炭开采资源回收利用率和维护巷道稳定，决定采用高水充填材料巷旁充填的无煤柱沿空留巷技术来布设42206工作面皮带巷。

图1 42206 工作面平面布置

2 巷旁充填体宽度数值模拟

2.1 模型的建立

为了分析研究不同宽度巷旁充填体时沿空留巷围岩变形规律，结合西铭矿42206 工作面实际工程地质条件和各煤岩层基本力学特征，利用FLAC3D数值模拟软件建立数值模型，分别模拟巷旁充填体宽度为1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m 和1.8 m 时沿空留巷围岩变形情况。 所建立数值模型尺寸为260 m×140 m×90 m（长×宽×高），模型边界条件为四周边界均固定水平位移，下部边界固定垂直位移， 上边界按照上覆岩层重力施加10 MPa 的均布载荷。巷旁充填体采用应变软化模型[4]，充填体参数基于参考文献中数据并校准后获得[8]。 图2 为三维数值模型图，表1 给出了模型中各煤岩层力学参数。

图2 三维数值模型

表1 煤层顶底板及力学参数

2.2 巷旁充填体宽度对沿空留巷围岩变形的影响规律

基于不同巷旁充填体宽度时沿空留巷围岩稳定性的数值模拟结果分析，分别研究了充填体宽度对沿空留巷围岩变形的影响规律。 由于不同宽度巷旁充填体在支承上覆岩层重量时的承受面积不同，导致不同宽度巷旁充填体受力情况及其将上覆岩层重力传递到沿空留巷围岩中的情况不同，进而影响沿空留巷围岩变形情况[3-6]。沿空留巷围岩变形量随巷旁充填体宽度的变化规律见表2。

表2 不同巷旁充填体宽度下沿空留巷围岩变形量

为了更加清楚直观的反映巷旁充填体宽度对沿空留巷围岩变形的影响规律，将表2 中数据绘制成图3。图3 中随巷旁充填体宽度增大，巷道顶板下沉量呈现出先快速降低，后趋于稳定的变化规律；充填体帮移近量呈现出近线性降低趋势；而底鼓量和煤体帮移近量则呈现出缓慢增长的趋势。从巷旁充填体宽度对沿空留巷围岩变形量的影响规律并综合考虑施工条件、 对沿空留巷围岩稳定性的影响情况和施工成本下，确定巷旁充填体最佳宽度为1.4 m。

图3 不同巷旁充填体宽度下沿空留巷围岩变形量

3 工业性试验

根据西铭矿42206 工作面现场情况设置沿空留巷表面位移测站， 以沿空留巷开始处为起始点，间隔30 m设置一个测站，共设置2 个测站。 根据所设置的测站，对巷旁充填体宽度为1.4 m时，沿空留巷围岩相对变形量见表3。

表3 测站1 和2 时沿空留巷围岩相对变形量

为了更加清楚直观的反映巷旁充填体宽度为1.4 m时， 测站1 和2 所监测的距工作面不同距离时沿空留巷围岩相对位移的的变化规律，将表3 中数据绘制成图4。

图4 不同测站处沿空留巷围岩相对移近量

由图4 可知， 随距工作面距离的增大， 测站1和测站2 所监测到的沿空留巷围岩相对移近量的变化规律基本相同，沿空留巷顶底板移近量明显大于两帮移近量，且均可分为快速增长阶段和趋于稳定阶段两个阶段。 对比在距工作面0～100 m范围内，测站1 所监测的围岩相对移近量稍大于测站2。且在距工作面0～60 m范围内，沿空留巷顶底板移近量和两帮移近量均呈快速增长趋势，但其增长速率随距工作面距离的增加而降低。在距工作面60～100 m范围内， 沿空留巷顶底板移近量和两帮移近量随距工作面距离的增加而无显著变化，其增长速率随距工作面距离的增加基本为零，故在该范围内沿空留巷围岩变形基本稳定。 由此可见， 宽度为1.4 m 的巷旁充填体满足无煤柱沿空留巷巷旁支护的要求，能够保障沿空留巷的正常实施。

4 结语

基于对不同宽度巷旁充填体影响下沿空留巷围岩变形演化规律的分析和研究，主要得出以下结论：

1）随巷旁充填体宽度增大，沿空留巷顶板下沉量呈先快速降低，后趋于稳定的变化规律，充填体帮移近量呈近线性降低趋势；底鼓量和煤体帮移近量呈缓慢增长趋势，并确定了巷旁充填体最佳宽度为1.4 m。

2）对巷旁充填体宽度为1.4 m时，沿空留巷顶底板移近量和两帮移近量现场监测结果表明，距工作面0～60 m范围内，沿空留巷顶底板移近量和两帮移近量均呈快速增长趋势，但增长速率随距工作面距离的增加而降低。 距工作面60 m以后，沿空留巷顶底板移近量和两帮移近量趋于稳定，能满足无煤柱沿空留巷巷旁支护要求和保障沿空留巷的正常实施。