厚煤层软底沿空留巷充填体选择研究与应用

柳 晶，李根威

（吕梁学院矿业工程系 山西 吕梁 033000）

0 引言

沿空留巷不仅可以利用工作面通风，还可以提高资源采出率。但是在实际中，往往会遇到诸多问题，工作面为厚煤层软底时，普通留巷方式围岩不稳定。需对此展开深入研究。诸多学者从理论到实际对沿空留巷进行了一系列深入的研究。张东升、马立强等[1-3]通过研究了不同巷旁充填体强度，得出了各种情况下宽度的最低标准；杨博[4]等通过研究顶板的坚硬程度与充填体的作用关系，得出了不同支护方式下顶板的破坏情况；朱道勇[5]等通过FLAC3D模拟软件模拟了充填材料对围岩变形的影响，设计了合理的巷旁支护体。

综上所述，众多学者已对沿空留巷进行了深入的研究。但对于厚煤层软底条件下沿空留巷的研究较少，现通过某煤矿N1202 工作面对厚煤层软底时沿空留巷的充填体选择及其合理支护措施进行研究。

1 工程概况

某煤矿N1202 工作面地处山西省长治市境内，埋深905 m～916 m，煤层倾角0°～2°，煤层赋存条件良好，综放开采。煤厚5.32 m～6.62 m，采高3.0 m，煤层上覆岩层中直接顶为3.0 m 厚炭质泥岩，基本顶为5.0 m厚的含砾砂岩，煤层上部岩层中直接底为2.5 m厚的泥岩，基本底为3.4 m厚的砂质泥岩，老底为4.0 m厚的粗砂岩，回风顺槽为矩形断面，宽5 500 mm，高3 000 mm。N1202 工作面煤层顶底板岩层的物理力学参数如表1所示。

表1 岩层物理力学参数

2 煤层软底沿空留巷围岩变形破坏原理

2.1 厚煤层软底沿空留巷底鼓变形规律

工作面推过后，采空区直接顶垮落并碎胀充填采空区，块体B＇受到充填体作用给直接顶断裂块的支撑阻力，而这个力相当于将块体B＇进行切断的一个切顶力，使得块体B＇所受拉力大于最大极限抗拉强度后断裂，块体B＇断裂成块体B和C，块体B后续受到采空区碎胀体和充填体的支撑力，由于采空区侧支撑力明显小于支护侧，出现回转下沉现象。

图1 沿空留巷结构力学模型

工作面开采时沿空留巷多次受采动影响，围岩破坏严重，再加上底板质地软弱，发生底鼓现象突出，并呈周期性出现，巷道底鼓最开始是在巷道刚开掘的时候时有出现，之后在工作面推进的时候底鼓会表现地更为突出。在巷道开挖后，原本储存在岩体的弹性势能会突然释放，对底板造成集中破坏，尤其是软弱底板的时候表现地更为明显，煤壁和充填体受到高应力再将力作用到底板上，由于底板软弱，强度不足，导致煤体和充填体侵入软弱底板，底板长期处在高应力环境下，软弱底板进一步的破坏最终导致绕曲失稳。软弱直接底的变形主要是直接底破碎，再加上基本底的压曲破坏和老底的绕曲失稳。综上分析可得，老底的绕曲失稳变形量与基本底的压曲破坏变形量的最大值即为实际底鼓量。

图2 沿空留巷底鼓变形示意图

2.2 厚煤层软底沿空留巷底鼓量

基本底发生底鼓破坏时压曲力学模型见图3：

图3 基本底压曲力学模型

由几何关系计算得，基本底压曲底鼓量为：

式中：a为巷道宽度，m；u为煤壁帮单侧水平变形量，m，取0.04 m（取工作面实际作业中最大变形量）；w为基本底压曲底鼓量，m。

老底发生底鼓破坏时建立的挠曲力学模型（四边简支）如图4所示：

图4 老底挠曲力学模型

其中薄板压曲微分方程如下：

式中：A特定系数；L为基本底横向宽度；x0为煤帮极限平衡区宽度，m；a为巷道宽度，m；b为支护体宽度，m。

简支薄板四边的边界条件为：当x=0 或L=0 时，，老底的总势能为：

依最小总势能原理，式（6）满足：

可知老底挠度函数取最大值时即为老底挠曲的底鼓量，其值为：

式中：EB为老底弹性模量，GPa;hB为老底岩层厚度，m；DB为基本底抗弯刚度，MN·m；q为底板所受的单位载荷（来自充填体），MN/m；k为采空区侧向应力集中系数；p为底板所受下部岩层的单位载荷，MN/m；σc为煤帮残余强度，MPa；N为基本底纵向宽度，m；γ为覆岩容重，kN3；H为采深，m；x为煤帮平衡区宽度，m；

厚煤层软底沿空留巷的实际底鼓量最大值为：

其中：w=u1，A=u2。

计算得u1=0.467 m，u2=0.405 m，即u=0.467 m。

由计算结果可知底鼓量偏大，严重影响留巷的稳定性。从力学模型和式（1）～（8）可知，导致综采工作面底鼓偏大因素主要有：老底的弹性模量、所布置充填体的宽度和充填体自重对底板产生的压力等。为减小底鼓量，需确定合理的充填体支护宽度。在底板条件一定的情况下，下表2 为N1202 工作面所布置充填体的宽度的基准值及其变化范围。

表2 影响因素的基准值及变化范围

巷旁支护体宽度与老底的挠曲量经拟合呈线性关系，如图5所示。

图5 巷旁支护体与老底底鼓量关系

由图5知充填体宽度小于1.5 m时，实际底鼓量为基本底底鼓量，当大于1.5 m时，实际底鼓量为老底底鼓量，直接影响巷道底板变形情况，同时考虑到支护强度要求，太小的宽度不能达到破断顶板的支护阻力条件。故选用1.5 m的充填体支护宽度，同时考虑到充填体自重影响，需采用柔性充填体，故初步确定充填体为C30强度混凝土，支护宽度为1.5 m。

2.3 厚煤层软底沿空留巷顶板破断条件

巷旁充填体支护阻力与上覆岩层载荷以及已跨落岩层残留支护力共同支护顶板，基本顶由于受拉发生被动破坏，建立破断模型如图6。有基本顶破断所需的巷旁充填体支护阻力计算公式为：

图6 基本顶破断力学模型

式中：MZ为单位长度直接顶顶板破断极限弯矩，N/m；FJ1为D 点位置直接顶单位宽度发生剪切破断的剪力，N；LBq为块体B＇在充填体侧切顶后的长度，m；Mj为单位长度基本顶抗弯弯矩，N/m；FJ2为D 点位置基本顶单位宽度发生剪切破断的剪力，N；γj为基本顶岩体的容重，MN/m3；hj为基本顶的岩层厚度，m；M1为单位长度直接顶抗弯弯矩，N/m；Xj基本顶岩层断裂位置，m；w为沿空留巷本身宽度，m；wc为巷旁充填体宽度，m。

结合N1202工作面实际条件取值计算得到当充填体支护阻力达到9.362 kN/m2时，基本顶顶板发生被动破断。直接顶较基本顶更易发生破断且所需支护阻力更小，不另作计算。充填体宽度为1.5 m时C30的支护阻力达10.152 kN/m2，且随充填宽度增加支护阻力增大。故C30强度混凝土即可满足要求。

2.4 厚煤层软底沿空留巷帮部变形分析

帮部变形是由顶板载荷与巷道支撑体共同作用引起的两帮移近量，故研究顶板载荷作用是分析帮部变形的关键。埋深很大程度决定顶板作用到煤体和充填体上的载荷，N1202 工作面埋深大，故载荷大；基本顶的厚度和弹性模量也会有较大影响，基本顶厚度越大其自身越趋于稳定，对充填体强度要求降低，厚度很薄容易破坏，亦对充填体强度要求低，N1202工作面基本顶7.9 m较厚对充填体要求高，需要选用较高强度和宽度的充填体。鉴于基本顶为含砾砂岩，弹性模量较低，较容易破断，故对充填体要求可适当降低；基本顶较薄时弹性模量不是影响其破断的主要因素，可不作考虑；在载荷一定时，充填体宽度和其横截面正应力是呈负线性相关，充填体宽度越大其所受正应力越小，发生帮部变形就越小，结合N1202工作面现场情况，帮部变形较小，最大部分仅为0.04 m，留巷较为成功。

2.5 厚煤层软底沿空留巷顶板破断位置影响

根据以往学者得出的经验，充填体横截面的正应力随基本顶破断位置的变化规律，其中两者呈负相关关系。直接顶和基本顶破断位置距离充填体较近的时候，会导致顶板的压力集中作用到煤壁上方，而由于煤体强度低，所能提供的支撑力有限，大部分压力会落在充填体上，导致充填体需要提供的支撑阻力大幅增加，解决措施即为增加充填体的强度和宽度，但是如此便会提高支护成本，不利于实行。因此，破断位置的控制也很重要，结合N1202工作面地质条件和工作面长度，发现其破断距离基本都在6 m 以上，不会对留巷造成较为明显影响，故留巷合理可行。

综上所述，N1202工作面选用C30强度混凝土，充填体宽度1.5 m时即可实现安全留巷。

3 应用效果

在N1202 工作面布置围岩收敛变形监测站，位于优化留巷支护方案70 m 处，滞后工作面12 m 处；位移监测站布置于优化留巷支护方案150 m 处，超前回采工作面40 m处。通过两监测站记录顶板下沉量、煤帮帮部变形量、底鼓量数据进行分析。

分析数据发现，N1202 工作面沿空留巷变形从工作面后方20 m 处开始，200 m 时基本稳定，在20 m～50 m 范围内变化波动明显。巷道底鼓变形量最大值为200 mm，约占总体变形的一半。两帮变形主要表现为煤帮帮鼓，且帮鼓主要发生在煤帮中部，煤帮鼓出量约为35 mm，表明支护效果良好。

4 结论

（1）通过建立力学模型，基于N1202工作面实际顶底板数据分析底鼓量最大为0.467 m，布置充填体宽度为1.5 m，采用C30强度混凝土时可满足工作面留巷的稳定要求。

（2）通过建立力学模型，基于顶板破断条件，分析可得采用C30强度混凝土时可达到基本顶顶板发生被动破断，实现成功留巷。

（3）结合沿空留巷帮部变形分析和顶板破断位置影响理论分析可得N1202工作面顶板破断未对留巷造成太大影响，帮部变形量最大部分仅为0.04 m，留巷成功可行。

（4）在N1202工作面沿空留巷实际支护应用中，采用充填体宽度为1.5 m 的C30 强度混凝土支护时表现出了良好的支护效果。