沿空留巷巷旁充填體合理寬度的確定

張隨平

【摘 要】 針對沿空留巷巷旁充填體留設寬度大、沿空留巷成本較高的現狀，文章采用理論研究與數值模擬相結合的方法，確定了沿空留巷巷旁充填體最佳寬度為1.2m，同時提出1101工作面采用錨柱網預支撐巷旁充填技術，并設計了具體支護參數。研究結果表明：巷旁充填體寬度采用1.2m，配合采用錨柱網預支撐巷旁充填技術可有效控制巷道圍巖的變形，保證煤炭資源安全高產高效開采。

【關鍵詞】 沿空留巷;充填體寬度;數值模擬;圍巖控制

【中圖分類號】 TD353 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2022）01-0012-03

沿空留巷巷旁充填體的合理寬度可提高煤炭資源采出率，降低沿空留巷成本，一直以來是礦井開采的發展方向。閆帥等通過數值模擬與現場實踐研究并確定了復用回采巷道護巷的合理煤柱寬度。王德超等對不同寬度煤柱下的深部厚煤層綜放沿空掘巷進行了試驗研究，并最終得出合理的煤柱寬度。張廣超等以羊場灣煤礦為研究背景，得出了高強度開采綜放工作面下煤柱的合理寬度。以上研究都采用數值模擬與現場試驗的方法確定沿空留巷巷旁充填體合理寬度，缺少確定沿空留巷巷旁充填體合理寬度的理論研究。

本文以王莊煤礦1101工作面為工程背景，以理論研究為指導，采用數值模擬與現場實踐相結合的方法，提出了錨柱網預支撐巷旁充填技術，實現了礦井的安全高效開采，同時提高了經濟效益。此研究成果可為類似工程地質條件下的礦井開采提供借鑒與參考。

1工程概況

王莊煤礦現開采煤層為1號煤層，平均厚度為4.5m，平均傾角6°。煤層結構簡單，賦存穩定，為全區可采煤層。煤層直接頂為厚2.8m的細砂巖，老頂為厚4.57m的粉砂巖，直接底為厚2.02m的中砂巖，老底為厚7.13m的粉泥巖。巖層柱狀圖如圖1所示。

煤巖層物理力學參數如表1所示。

2沿空掘巷充填體合理寬度理論分析

上區段工作面的回采擾動破壞了巷道圍巖的

應力平衡狀態，在上區段工作面回采結束圍巖應力形成新的平衡后進行沿空掘巷時，巷道圍巖受掘巷擾動發生二次破壞，導致充填體形成一定范圍的塑性區，而充填體的最小寬度應確保其內部存在一定寬度的彈性核區。形成沿空留巷頂板巖層結構模型如圖2所示。

圖2中關鍵巖塊B、C主要沿破斷線形成，其位于留巷充填體的上方。留巷期圍巖的穩定性直接取決于關鍵巖塊B、C的穩定性，巷旁充填體難以防止老頂斷裂導致巖塊下沉，其可以切斷關鍵巖塊C的下覆巖層。所以巷旁充填體的計算主要是取決于關鍵巖塊B的穩定性。

多年的現場實際經驗總結出沿空留巷B巖塊主要發生擠壓變形，其巷旁充填體的支護阻力計算公式一般用（1）式：

式中：F_H為直接頂自重;a₁為巷道寬度，m;b₁為充填體寬度，m;k₀為安全系數，一般取值1.1～1.2;σ_d為24小時齡期充填體的強度，MPa;l₁為基本頂初次垮落步距，取15m;S為工作面長度，m;l₂為B巖塊斷裂跨度，m;ψ為接觸系數;θ為巖塊B向采空區的旋轉角度;α=arctan2l₂/l₁。

結合王莊煤礦1101工作面現場工程地質相關數據代入式（4），求得充填體寬度理論合理寬度為1.0～1.4m。

3不同充填體寬度下沿空留巷數值分析

3.1數值模型

為探究不同充填體寬度下沿空留巷圍巖變形特征，以1101工作面的實際工程地質情況，選用MidasGTS數值模擬軟件建立三維數值模型，模型尺寸為：85m寬×66m高×42m長。

在模擬過程中，錨桿索采用植入式桁架單元進行模擬，煤層以及巖層采用實心體單元，上部邊界載荷按照巖層自重應力加載到模型上部，模型的下邊界、左邊界、右邊界采用固定邊界，模型計算采用摩爾-庫倫準則進行計算。

3.2不同充填體寬度下巷道圍巖應力分布特征

分別模擬充填體0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m、1.6m寬度下巷道頂板下沉量，并繪制成曲線，如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可以看出，隨著充填體寬度的增加，頂板下沉量呈減小的趨勢，充填體寬度在0.6m～1.0m范圍內，每增加0.2m，頂板下沉量減少約10mm;充填體寬度在1.0m～1.2m，頂板下沉量減少約28mm;此后隨充填體寬度的增加，頂板下沉量減少緩慢。同時可以看出充填體寬度為1.2m時頂板最大下沉量變化幅度較大，其最大值約為172mm，滿足要求。從效果和成本綜合考慮來看，1.2m較為合適。

4現場應用

錨柱網預支撐巷旁充填技術主要是對采空區旁圍巖進行切頂卸壓，向圍巖深處轉移巷道頂板的應力，減少頂板給充填體帶來的壓力。工作面巷旁預支護構件選用HT錨柱，HT錨柱沿工作面推進，盡可能地沿著礦區一側支撐并填充隔墻的內輪廓施工。其可以及時地將巷道采空區側頂板切斷，巷道頂板壓力得以釋放，為后期巷旁充填體隔墻承載提供保障。

錨柱網預支撐袋注混凝土沿空留巷技術頂板采用Φ21.8mm×6300mm，1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線錨索，間排距為1600mm×1600mm;頂板錨桿采用Φ22mm×2400mm螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800mm;巷幫采用Φ22mm×2000mm螺紋鋼錨桿，間排距均為800mm×800mm;隔墻采用C30混凝土。

為了評估1101工作面采用1.2m寬度下錨柱網預支撐巷旁充填技術后巷道變形情況，采用“十字布點法”對1101工作面內距巷口40m和80m位置進行實時監測，監測結果如圖5所示。

從圖5可以看出，巷道幫部的變形量略大于巷道頂板的變形量，但趨勢大致相同，且變形都在合理范圍內，表明1.2m寬度下錨柱網預支撐巷旁充填技術保護效果可以滿足巷道圍巖穩定性的要求。

5結語

文章針對王莊煤礦1101工作面充填體留設寬度大、留巷成本較高的現狀，對充填體合理寬度進行了研究分析，主要得到以下結論：

基于王莊煤礦1101工作面工程地質條件，采用理論計算的方法確定了充填體合理寬約為1.0m～1.3m。

采用MidasGTS數值模擬軟件，得出了不同寬度充填體下頂板變形規律，進一步確定了充填體合理寬度為1.2m。

綜合考慮1101工作面實際生產地質條件，提出采用錨柱網預支撐巷旁充填技術，現場實測結果表明：巷道頂板和幫部變形量均在合理范圍內，圍巖控制效果較好。

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