兰花宝欣煤业沿空留巷充填墙体合理宽度研究

王 超

（山西古县兰花宝欣煤业有限公司，山西 临汾 042400）

1 工程概况

兰花宝欣煤业3209 综采工作面开采3#煤层，3#煤层赋存稳定，结构简单，煤层平均厚度2.05 m。顶板岩性为粉砂岩、泥岩，底板岩性为泥岩或粉砂岩。3209 综采工作面地面标高为+1155～+1200 m，井下标高为+740～+672 m。工作面东侧为实体煤，南侧为原3207 采空区，西侧为南翼运输巷、北翼2#煤总回风巷、北翼3#煤总回风巷、北翼轨道大巷，北侧为采空区BYCK-01（2005 年5 月—9 月）。

为减少煤炭资源的浪费，提高经济效益，考虑在3209 工作面回采后，将3209 轨道顺槽保留作为下一采面的进风巷使用。为确保沿空留巷的稳定性，需对巷旁柔模充填墙体的合理宽度[1-5]进行确定。

2 数值模拟分析

2.1 建立模型

为确定充填体的合理宽度，根据3209 综采工作面的实际工程地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件建立了不同充填体宽度（1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m）的计算模型，模拟分析工作面开挖后不同宽度墙体及巷道的应力、位移演化规律。模型尺寸统一为长×宽×高=300 m×100 m×80 m；在模型上边界施加9.9 MPa 的垂直均布载荷，以模拟覆岩压力，模型四周及下边界采用位移边界条件约束；模拟单元均遵循摩尔库伦破坏准则。模拟中煤岩体物理力学参数见表1。

表1 煤岩体物理力学参数表

2.2 模拟结果分析

1）应力分析

工作面推进过程中，不同宽度墙体的巷道应力云图如图1。

图1 不同宽度墙体的巷道应力云图

由图1 可知，随着工作面的推进，不同工况下巷道上方均出现不同程度的应力释放区。充填墙体宽度分别为1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m 时，对应的巷道顶板垂直应力分别为3.7 MPa、2.6 MPa、1.7 MPa 及1.4 MPa，较上一宽度的降低率分别为29.7%、34.6%、17.6%；而巷道副帮存在明显的垂直应力集中，其应力值分别为23 MPa、19 MPa、21 MPa 及22 MPa，在生产时应对副帮加强支护；充填墙体的垂直应力分别为8 MPa、6 MPa、4 MPa及5 MPa，巷道底板的应力较小，变化规律基本一致。

2）位移分析

随着工作面的推进，不同宽度墙体的巷道位移演化云图如图2。

图2 不同宽度墙体的巷道位移演化云图

由图2 可知，充填墙体宽度分别为1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m 时，对应的巷道顶板下沉量分别为500 mm、380 mm、230 mm、200 mm，较上一宽度的降低率分别为24.0%、39.5%、13.0%；巷道副帮水平方向的变形量分别为223 mm、185 mm、200 mm 及170 mm，基本相差不大。

综合数值模拟结果可知，随着充填墙体宽度的增加，巷道顶板的应力集中程度及顶板下沉量均逐渐降低，但当充填墙体宽度由1.5 m 增加至2.0 m 时，顶板垂直应力及下沉量的降低幅度不明显，继续增加墙体宽度对巷道稳定性的影响不再明显。1.5 m 的墙体宽度已能满足安全生产需求，因此，综合考虑经济成本及巷道稳定性需求等因素，确定3209 轨道顺槽沿空留巷的巷旁充填墙体宽度为1.5 m。

3 充填墙体宽度理论验算

3.1 墙体载荷计算

充填墙体的载荷力学模型如图3。墙体及巷道上方的岩体发生离层断裂，并回转下沉，引起一定强度的矿压显现，可采用“分离岩块法”对充填墙体的宽度进行验算。充填墙体承受的载荷q可由下式计算：

图3 “分离岩块法”计算模型

式中：h为工作面采高，取2.05 m；θ为离层岩块的剪切角，取26°；bB为巷道宽度，取5.0 m；x为充填墙体宽度，取1.5 m；bC为充填墙体外侧的悬顶距，取0.3 m；γs为岩块的平均容重，取24 kN/m3；α为工作面内煤层的倾角，取3°。

将3209 综采工作面的相关参数代入式（1）进行计算得出，当充填墙体宽度为1.5 m 时，其承受的载荷为836.7 kPa。则作用在单位长度、宽度1.5 m 的墙体压力为：836.7 kPa×1 m×1.5 m=1 255.05 kN。

受采动影响，取3 倍的安全系数，则作用在充填墙体上方的压力：1 255.05 kN×3=3 765.15 kN。

3.2 墙体承载力验算

充填墙体的承载能力可由下式计算：

式中：N2为巷旁充填墙体的承载能力，kN；fc为充填体混凝土材料的抗压强度，取19.1 MPa；Ac为单位长度柔模内混凝土截面积，取1.5 m2。

将相关参数代入上式，巷旁充填墙体的承载能力为25 785 kN，采用“分离岩块法”得出墙体矿压为3 765.15 kN。充填墙体的承载能力远大于留巷矿压强度，1.5 m 巷旁充填墙体宽度合理。

4 工程应用

4.1 巷旁充填墙体参数

在3209 轨道顺槽巷内浇筑墙体，墙体宽度为1.5 m，底板向下掏槽200 mm 并清理干净后开始施工。为防止充填墙体发生较大的变形，在充填体内设置锚栓，锚栓直径为22 mm，长度为1100 mm，每排布置5 根，间排距均为800 mm；巷内每排布置4 根单体支柱进行补强支护，第一根单体支柱在距副帮800 mm 处布置，其余单体支柱的间距依次为1000 mm、1700 mm、1000 mm，单体支柱的排距为1600 mm，切眼口至留巷200 m 时，视顶板情况进行回收留巷单体柱。具体布置参数如图4。

图4 沿空留巷支护断面图（mm）

4.2 充填墙体混凝土输送

用于浇筑巷旁充填墙体的材料为混凝土，其主要成分为水泥、砂子及碎石子，先在地面将各组分进行配比，随后通过输送机运输至井下进行湿料搅拌。井下料浆制备站的总长度为30 m，每小时可生产50 m3的料浆，输送距离最远可达到500 m。

4.3 矿压观测

选取充填墙体中部的锚杆进行受力监测分析，如图5。工作面推进刚过充填体时，墙体中部锚杆的轴向应力约为13 kN，工作面推进0～50 m 后，锚杆轴力开始迅速增大，随后逐渐趋于稳定，稳定后的轴力约为85 kN，表明巷旁充填墙体为受采动影响而发生破坏，承载性能较强。留巷段稳定后的顶板最大下沉量约为250 mm，充填墙体的变形量约为80 mm，巷道副帮的变形量约为140 mm，整体变形量较小，满足井下安全高效生产需求，验证了1.5 m 宽度墙体的适用性。

4.4 经济效益分析

3209 综采工作面的留巷长度约为1000 m，掘进巷道每米的费用约为3400 元，而每米沿空留巷的直接费用约为6300 元，则每米巷道的成本增加了2900 元，共计增加成本290 万元；沿空留巷可回收15 m 的煤柱，约为14.6 万t，按每吨煤炭230元进行估算，可创收3358 万元，减去沿空留巷前期购置设备及材料成本600 万元，产生的效益达到了2758 万元，可大幅提高矿井的经济效益。

5 结论

1）通过FLAC3D数值模拟软件建立不同宽度巷旁墙体的留巷模型，对比分析了不同充填墙体宽度下的巷道应力及位移分布情况，得出合理的巷旁充填墙体宽度为1.5 m。

2）采用“分离岩块法”计算得出巷旁充填墙体上方的矿压为3 765.15 kN/m，而充填墙体的承载能力为25 785 kN/m，远大于留巷矿压强度，验证了1.5 m 巷旁充填墙体宽度的合理性。。

3）现场矿压监测结果表明，工作面推进后，充填墙体中间锚杆的轴力稳定在85 kN 左右；巷道稳定后的顶板最大下沉量约为250 mm，充填墙体的变形量约为80 mm，巷道副帮的变形量约为140 mm，整体变形量较小，满足井下安全高效生产需求。

4）采用1.5 m 宽度的充填墙体进行沿空留巷后，产生的效益达到了2758万元，具有良好的推广前景。