深部开采沿空留巷充填体宽度确定及围岩控制效果分析

白清才

【摘 要】 沿空留巷开采技术具有良好的经济效益和社会效益，但随着开采深度不断延伸，留巷填充宽度的确定问题逐渐涌现。为科学解决以上问题，文章以某矿沿空留巷回采技术为依托，采用数值模拟的方法进行分析，得出填充宽度3m最佳。鉴于安全考虑现场设置填充宽度3.5m，通过施工后对巷道围岩进行考察，考察结果显示，填充宽度安全可靠。

【关键词】 沿空留巷;数值模拟;填充宽度;效果考察

【中图分类号】 TD713 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）02-0010-02

1工程背景

某矿2311工作面临近面为2309工作面，主采煤层为3#煤层，平均煤层厚度6m，面长1250m，面宽190m，采用综合机械化放顶煤开采方式，工作面平均埋深1400m。2309工作面已经采完，原工作面面长1250m，面宽200m，2309运输巷为靠近2311工作面回风巷一端。巷道布置图如图1所示。原2309运输巷宽6m，高3.5m，为半圆结构。现拟将2309运输巷进行重新支护，作为2311综放面回风巷。

2沿空留巷围岩应力分析

为确定沿空留巷的填充宽度以及填充后巷道围岩支护措施，本文进行了不填充、填充2m、填充3m和填充4m时巷道围岩应变模拟研究，采用耦合模拟软件COMSOL进行数值模拟。假设填充物均匀，填充材料均匀，所有材料的模拟均在弹性范围内，不考虑多孔介质内部渗流现象，不考虑温度对模型的力学改性现象。采用弹性固体应力模型进行模拟。煤层顶板为粉砂岩，底板为泥岩，各个岩层力学参数如表1所示。模拟结果如图2、图3所示。

图2模拟了经过10个月后，沿空留巷周围岩石应力的分布云图。假设巷道周围煤岩为弹性介质，巷道周围岩石应力为1.0×108～2.0×108Pa。图3模拟了顶板在不同填充厚度时，顶板岩石应力演化曲线，分别模拟了0个月、1个月、2个月、3个月、4个月、5个月、6个月、7个月、8个月、9个月、10个月共计11个时间点巷道顶板应力分布曲线图。

由图3可知，当沿空留巷中无填充时，整个巷道以及采空区顶板受到约1.68×108Pa的应力，底板受到约1.8×108Pa的应力，应力峰值突破顶、底板岩石的弹性极限，现场为全部垮塌散落状态。当巷道填充宽度为2m时，应力基本全部集中在了填充柱上，有效地控制了巷道顶板应力分布集中的现象，应力大面积集中区域处于填充柱体中部，应力集中区呈矩形状态。当巷道填充3m时，应力集中区域依旧分布在填充柱体上，应力大面积集中区域位于填充柱中部，集中片区呈葫芦形状。当填充宽度达到4m时，顶部应力集中区出现大面积分区，即采空区，填充柱体承受了大部分应力，填充柱体应力集中区出现水平两侧分离现象。填充柱水平方向中部出现应力下降的现象。因此，实际会出现失稳的情况。

通过分析图3可知，无支护情况下，初始顶板应力随着距离巷帮长度增大呈现上升趋势，到达2m范围后基本稳定在平稳点0.88×108Pa上。随着时间的推移1月时间点时，顶板应力在2.3m位置点增加到1.3×108Pa这个最高点上后出现下降又上升最后趋于平稳的状态;2月、3月、4月、5月、6月、7月、8月应力曲线分布和1月一致，但随着时间推移，后期波动渐渐趋于平缓。9月时又再次出现大幅波动，并且所有波动点达到最高点，10月又开始下降到平稳点。推测9月出现大面积破裂现象。分析填充2m、3m、4m的曲线演化图可知，巷道顶板应力基本出现由左向右下降的趋势，但填充宽度为3m的曲线应力变化整体较为平缓。

综上所述，填充宽度2m时，应力过于集中于填充柱，容易造成填充柱过早垮塌;填充宽度为4m时，容易造成填充过渡，造成工程浪费的现象。因此建议填充宽度为3m。

3沿空留巷填充宽度确定及围岩控制措施

通过数值模拟可知，沿空留巷填充宽度为3m最佳。但由于实际工程会出现填充质量不佳的情况，因此将填充宽度设定为3.5m，填充材料为水泥浆和砖混结构，填充方式如图4所示，两侧用砖混结构建造0.5m的墙面结构，然后在中间灌浆，为保证整体结构受力均匀性，顶部建造管棚结构，保证整体的应力分布均匀。为防止围岩垮塌，在靠近巷道一侧进行工字钢支架结构安置，排间距0.4m。

填充完成后，未填充靠近采面一边采用锚固喷浆技术，保证整个巷道完整性。实施完成后巷道安设了顶板离层仪等设备进行围岩应力变化实时观测。通过后期效果考察，沿空留巷填充带实施完成后，10个月的时间内巷道未出现应力大幅变化、巷道大面积垮落的现象。沿空留巷填充宽度3.5m安全可靠。

4结论

由于沿空留巷回采技術可有效回收预留煤柱、节省单独掘进一条巷道的开支的优点，因此具有良好的经济效益和社会效益。本文以深部沿空留巷开采技术为研究对象，进行了数值模拟结合现场的研究得出以下结论：

模拟得出填充宽度2m出现应力过于集中于填充柱的现象，填充4m存在工程量浪费现象，因此填充宽度为3m。

由于现场存在填充材料不均匀的现象，建填充跨度调整到3.5m，通过现场施工并进行后期效果考察可知，填充宽度3.5m安全可靠。

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