充填开采充实率对沿空留巷结构稳定影响研究

焦殿志，吴晓刚，周 楠

(1.皖北煤电公司五沟煤矿，安徽 淮北 234000；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

无煤柱沿空留巷技术是沿采空区边缘重新维护上一区段回采巷道供下区段使用的技术。随着我国一些矿区资源不断减少，无煤柱沿空留巷技术对于提高煤炭资源采出率尤为重要[1]。

随着该技术不断发展，已应用于不同开采条件的煤矿。国内外学者也进行了大量的基础研究[2-5]，如李迎富等研究了沿空留巷上覆岩层关键块稳定性力学分析及巷旁充填体宽度的确定；阚甲广等对留巷充填区域顶板承载性能进行了研究；谢文兵等研究了综放沿空留巷围岩控制机理，分析了留巷前巷道支护形式、充填体宽度、充填方式以及端头不放顶煤长度等对综放沿空留巷的作用和效果；马立强等在综放巷内充填原位沿空留巷技术基础上，根据岩层控制的关键层理论，建立综放巷内充填原位沿空留巷围岩结构力学模型，推导出不同地质条件下巷内充填体的支护阻力计算公式，并对围岩与巷内充填体之间的相互作用机制进行深入分析；黄艳利等结合井下矿压监测，研究了综合机械化固体充填采煤巷旁充填原位沿空留巷技术，以及两帮位移、顶板下沉随工作面推进的变化关系。

近几年，随着综合机械化固体密实充填采煤技术研发，无煤柱沿空留巷技术也得到了应用，但该方面的基础研究较少。本文将研究采空区充实率[6]对沿空留巷结构稳定性的影响关系，为无煤柱沿空留巷技术在综合机械化固体密实充填采煤面的应用提供理论依据。

1 充填采煤面沿空留巷方案

传统垮落法管理顶板条件下，工作面沿空留巷为工作面运输平巷或回风平巷按正常设计断面掘进，在工作面回采期间实行沿空留巷。根据岩层控制的关键层理论，沿空留巷时，在采空区靠巷道一侧进行充填形成条带，整个充填带在采空区里面，不受原巷内支护的保护，如图1(a)所示。对于综合机械化固体充填采煤工作面，由于采空区实现了全断面固体密实充填，随着工作面的推进，上覆岩层压力由未开采前的实体煤转移至开采后的煤壁、综采液压支架及采空区充填体，基本顶和关键层仅弯曲下沉而无破断。相比传统垮落法管理顶板开采条件，综合机械化固体密实充填[7-8]限制了基本顶关键层弯曲下沉中的回转变形，为工作面沿空留巷提供了良好的实施条件。基于此，设计固体充填采煤沿空留巷方案，即随着充填工作面向前推进，充采工艺与留巷工艺同时进行，在端头支架的掩护下，在靠采空区充填体侧通过人工堆砌矸石墙，并采用锚杆、钢带、钢梁及金属网等支护方式进行加强保护，形成巷旁充填体，与巷道原支护体系主动支护顶板，共同维持巷道的作业空间，实现固体充填采煤沿空留巷，如图1(b)所示。

图1 沿空留巷围岩结构图

2 充填采煤面沿空留巷围岩支护结构力学模型

固体密实充填采空区顶板不发生破断，只发生弯曲变形。基于此，建立充填采煤沿空留巷围岩支护结构力学模型[9-10]。梁左端起点表示采空区一侧煤壁，梁长L表示工作面长度的一半。k1和k2分别为矸石墙和充填体的弹性模量。如图2所示。

图2 密实充填沿空留巷力学模型图

由于巷道小，结构对整个顶板的大结构而言，影响力可以忽略。将模型简化，如图3所示。

图3 密实充填沿空留巷力学模型图(简化)

根据Winkler弹性地基梁假设：地基表面任意一点的沉降与该点单位面积上所受的压力成正比

p=k2ω

(1)

(2)

式中，k2为地基系数；σ0为原岩应力；e为充实率；h为采高。

通过受力分析，得出顶板挠度关系式

(3)

对上述方程进行求解，可以得出挠度方程为：

φ3-

(4)

由式(4)可知，固体密实充填充填体的弹性地基模量，随着充实率的增加而加大。充实率对顶板下沉有直接影响，所以影响充填采煤沿空留巷围岩变形的关键因素之一是充实率。

3 充实率与沿空留巷围岩应力应变关系

3.1 数值分析模型

为了解充实率对沿空留巷围岩的影响关系，采用离散元数值模拟软件UDEC，分别对固体密实充填充实率为40%、60%、85%、90%时进行模拟，分析充实率对沿空留巷结构稳定性影响。采用的岩层物理力学参数见表1。

表1 岩层参数表

建立相应的数值分析模型，如图4所示。

图4 数值模拟模型图

3.2 模拟结果分析

模拟得到巷道顶底板移近量如图5所示，两帮移近量如图6所示，巷旁充填体的最大垂直应力变化如图7所示。

图5 巷道顶底板移近量变化曲线

图6 巷道两帮移近量变化曲线

图7 巷旁充填体最大垂直应力变化曲线

通过对固体密实充填沿空留巷充不同充实率时的模拟计算，得出矸石墙中最大下沉位移，在充实率分别为40%、60%、85%和90%时，分别为1151mm、541mm、100mm和72mm；最大水平位移分别为1340mm、1072mm、102mm、59mm；最大垂直应力分别为11.83MPa、9.3MPa、7.5MPa、5.2MPa。

由此可知，提高充实率能有效控制巷道围岩变形，同时能改善围岩应力场分布特征，降低沿空留巷承载力，从而减小留巷难度。当采空区充实率达到85%时，沿空留巷巷道顶底板移近量最大为96mm，两帮最大移近量为128mm。

4 工程应用

4.1 沿空留巷支护方案

皖北煤电五沟矿为了提高开采上限，采用了综合机械化矸石充填采煤技术，CT101工作面为首个充填工作面，面长约为100m。其主采煤层为10煤，埋深301～326m，煤层倾角6°，煤层厚度3.5m，一次采全高。直接顶板为浅灰色粉、细砂岩，厚约5.8m；直接底板为泥岩，含碳质，厚约1m；老底为条带状粉细砂岩(互层)，厚约8.22m。

为了提高煤炭采出率，在保证采空区充实率达到85%条件下，采用了“垒砌矸石墙+锚栓”沿空留巷支护方案，其中，巷旁垒砌矸石墙宽度为3000mm，高度接顶接底，并使用规格为Φ20mm×3300mm双头螺纹式锚杆加网、钢筋梯和钢带进行固定。

4.2 应用效果

五沟煤矿充填面自开采以来，共计推进约200m，为了验证充填采煤面沿空留巷的效果，在工作面开采期间，对工作面后方巷道变形进行了监测，实测结果如图8所示。

从图8可以看出，在工作面刚推过时，两帮移近量较大，在0～10m范围内变形速度较大，最高达到12mm/d，其后迅速减小；40m以后，矸石墙基本没有变形，其总的变形量不超过120mm。

图8 留巷期间工作面后方巷道变形

5 结论

1)基于固体密实充填采煤原理，建立了沿空留巷围岩结构力学模型，通过分析得出，充实率是影响顶板下沉的关键因素。而控制顶板下沉，保证围岩结构稳定是沿空留巷成功的前提。

2)通过数值模拟，分析不同充实率情况下固体密实充填采煤沿空留巷围岩结构的稳定性，得出在原有支护方案不变时，充实率的增大能有效控制沿空留巷变形，和矸石墙承受的支撑力。

3)锚杆、钢带、钢筋梯梁及金属网的组合支护技术对巷旁充填体实施加固，可提高充填体的整体强度、稳定性及抗变形能力。

[1] 张东升，缪协兴，冯光明，等.综放沿空留巷充填体稳定性控制[J].中国矿业大学学报，2003，32(3)：232-235.

[2] 张吉雄，吴强，黄艳利，等．矸石充填综采工作面矿压显现规律[J]．煤炭学报， 2010，35 (8)：1-4．

[3] 谢文兵，殷少举，史振凡． 综放沿空留巷几个关键问题的研究[J]．煤炭学报，2004，29(2):146-149．

[4] 缪协兴,张吉雄,郭广礼.综合机械化固体充填采煤方法与技术研究[J].煤炭学报，2010，35(1):1-6.

[5] 黄艳利，张吉雄，张强.综合机械化固体充填采煤原位沿空留巷技术[J].煤炭学报，2011,10(36):1624-1628.

[6] 缪协兴,张吉雄,郭广礼.综合机械化固体废弃物充填采煤方法与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.

[7] 周华强,侯朝炯,孙希奎,等.固体废物膏体充填不迁村采煤[J].中国矿业大学学报,2004,33(2):154-158.

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[9] 龙驭球.弹性地基梁的计算[M].北京：人民教育出版社，1982.

[10] 邹友峰,邓喀中,马伟民.矿山开采沉陷工程[M].徐州：中国矿业大学出版社,2003.