薄層頂板沿空留巷巷旁充填體合理寬度研究

賈曉亮，廉常軍，陳　勇，劉學勇

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；

3.兗州礦業集團有限公司，山東 濟寧 273500)

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薄層頂板沿空留巷巷旁充填體合理寬度研究

賈曉亮1，廉常軍1，陳勇2，劉學勇3

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；

3.兗州礦業集團有限公司，山東 濟寧 273500)

[摘要]以中興煤礦1204下工作面材料平巷沿空留巷為工程背景，應用理論計算、數值模擬等方法研究了沿空留巷薄層頂板的穩定性，分析了不同充填體寬度對充填體應力的影響規律和圍巖變形破壞特征，得到了1204下工作面材料平巷沿空留巷巷旁充填體載荷以靜載荷為主，動載荷為輔，冒落帶高度為15.4m，裂縫帶高度為49.2m的結論，確定了合理的充填體寬度為2.5m?，F場實踐表明，這種方法確定的充填體寬度使沿空留巷圍巖穩定性較好。

[關鍵詞]薄層頂板；沿空留巷；充填體寬度；留巷載荷

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.017

[引用格式]賈曉亮，廉常軍，陳勇，等.薄層頂板沿空留巷巷旁充填體合理寬度研究[J].煤礦開采，2015，20(5)：62-65.

沿空留巷作為一種無煤柱護巷方式，具有以下優勢[1-2]：Y型通風，治理工作面隅角瓦斯超限難題；為抽采采空區瓦斯和鄰近層卸壓瓦斯提供作業空間，治理瓦斯災害；重復使用，緩解采掘接替矛盾；不留煤柱，避免頂底板應力集中，保障安全生產。目前，沿空留巷技術在保障高瓦斯礦井安全高效生產，突出礦井保護層開采區域防突等方面具有明顯的優勢，在淮南、淮北、潞安等礦區得到大力推廣應用。而極近采空區下沿空留巷由于薄層頂板穩定性差、留巷上覆巖層活動范圍大，致使留巷載荷計算困難、充填體寬度設計不合理，留巷成本高昂且維護困難。

本文以中興煤礦1204下工作面材料平巷沿空留巷為工程背景，使用高水速凝材料構筑巷旁充填體，對薄層頂板沿空留巷上覆巖層的穩定狀況和充填體合理寬度展開研究。

1地質采礦條件

中興煤礦1204下工作面埋深為400m，開采2號下煤層，工作面上方3m處是2號上煤層的采空區，間隔巖層為砂質頁巖(針對2號下煤層而言，稱為薄層頂板)，煤層平均傾角6°。2號上煤層不易自燃，平均厚度2.0m，直接頂為炭質泥巖、平均厚度7.9m，基本頂為中粒砂巖、平均厚度4.4m；2號下煤層不易自燃，平均厚度2.0m，直接底為泥巖砂巖復合層，平均厚度4.1m。

1204下工作面在回采期間的絕對瓦斯涌出量為9.6m3/min，在材料平巷進行薄層頂板沿空留巷實踐，構筑Y形通風，治理工作面瓦斯超限問題。圖1為1204下工作面平面布置圖。

圖1　1204下工作面平面布置

2薄層頂板沿空留巷上覆巖層穩定性分析

2號上煤層回采工作面推進過程中，底板巖層在超前支承壓力加載和近工作面采空區卸載作用下，發生一定深度的剪切滑移破壞，這一過程類似于地基基礎的破壞形式。據此構建底板破壞模型如圖2[3]所示。

圖2　2號上煤層底板破壞模型

則：

(1)

(2)

式中，L依據現場測量取6.3m，φ依據實驗室測試取30°。

將參數代入式(2)，可以得到Hmax=9.92m。2號上煤層底板最大破壞深度約為薄層頂板厚度的3.3倍，薄層頂板位于2號上煤層底板破壞區域淺部，巖體剪切滑移劇烈，裂隙發育，承載能力差。

由此分析，2號下煤層回采過程中，2號上煤層冒落帶矸石隨薄層頂板同步垮冒，同時冒落帶上移，裂縫帶砌體梁鉸接結構在更高層位重新穩定，工作面支架和沿空留巷支護體載荷基本上處于靜載狀態。

2號上煤層和2號下煤層的開采由此可以近似為厚煤層分層開采[4-5]。依據《三下開采規程》[6]，2號下煤層開采后，重新形成的采空區冒落帶高度為式(3)，重新形成的采空區裂縫帶高度為式(4)。

(3)

(4)

式中，ΣM為2號上和2號下煤層合計厚度，取4m。

將ΣM代入式(3)，(4)得：冒落帶為8.4~12.8m；裂縫帶為34.4~45.6m。結合關鍵層分層理論[7]，依據中興煤礦煤系巖層柱狀圖進行分析計算，最終確定新冒落帶高度為15.4m，新裂縫帶高度為49.2m。

3薄層頂板沿空留巷巷旁充填體寬度研究

巷旁充填體采用中國礦業大學研制的高水速凝材料構筑，水灰比為1.5∶1。

3.1　巷旁充填體寬度的理論計算

2號下煤層工作面推進過程中，采空區冒落帶發育充分，矸石碎脹充滿采空區；上位新砌體梁受矸石支撐充分，受力均勻，不易受充填體作用發生二次破斷，充填體主要承受上覆軟弱巖層自重載荷，靜載特征顯著。借鑒郭育光教授構建的沿空留巷力學模型[8]，構建薄層頂板沿空留巷力學模型如圖3所示。

圖3　薄層頂板沿空留巷力學模型

模型中：q為沿空留巷上覆載荷巖層單位長度自重；Pq為巷旁充填體支承力；qy為沿空留巷實煤體幫支承應力；x0為沿空留巷實煤體幫極限平衡區寬度；c為沿空留巷寬度；d為巷旁充填體寬度。

對模型做如下簡化：煤層水平賦存；沿空留巷上覆載荷q等同2號下煤層開采后新裂縫帶高度范圍內巖層單位長度自重；忽略新裂縫帶巖層受鉸接支撐作用。

對模型進行力學計算得：

pq=k0q(x0+c+d)-∫0x0qydx

(5)

(6)[9]

式中，k0為沿空留巷載荷動載系數；C0，φ0分別為煤層與頂底板巖層交界面的黏聚力和內摩擦角；Px為支架對煤幫的支護阻力；A為側壓系數；m為上下煤層累計采高；r為上覆巖層平均容重；k為應力集中系數；HL為開采深度。

3.2　巷旁充填體寬度的數值模擬

3.2.1模擬方案

依據中興煤礦1204下工作面地質采礦條件和各煤巖層力學特征，建立FLAC3D數值模型。模型尺寸為180m×120m×100m(長×寬×高)；模型四周邊界水平方向固定，下邊界垂直方向固定；依據地應力測試結果，在上邊界均勻施加9.25MPa的垂直壓應力，側壓系數取1.23。

巷旁充填體寬度分別取1m，1.5m，2m，2.5m，3m，4m。模擬時：首先進行2號上煤層回采；待模型應力調整平衡后進行1204下工作面的分步回采，一次回采5m，同時緊跟回采面構筑巷旁充填體，一次構筑5m長；回采完畢后待模型應力調整平衡，在回采面推進方向60m處做平行于采煤面的切面，取充填體垂直應力分布數據和沿空留巷圍巖變形數據。

3.2.2充填體垂直應力分析

圖4為不同寬度充填體橫向的垂直應力分布。

圖4　充填體橫向垂直應力分布曲線

由圖4可知：

(1)充填體寬度在1.0~2.0m時，垂直應力呈三角形分布，最大峰值應力為9.1MPa；充填體寬度在2.5~4.0m時，垂直應力呈梯形分布，最小峰值應力為11.5MPa。

(2)隨充填體寬度增加，峰值應力呈階段性分布。充填體寬度小于2.5m時，峰值應力增加幅度為26.6%~57.8%；充填體寬度大于2.5m時，峰值應力增加幅度為6.1%~8.3%。

3.2.3沿空留巷圍巖變形分析

圖5為構筑不同寬度巷旁充填體時，沿空留巷圍巖變形。

由圖5可知：

圖5　不同寬度充填體沿空留巷圍巖變形曲線

(1)充填體寬度小于1.5m時，頂板傾斜下沉嚴重，此時充填體側頂板下沉量比實煤體側頂板下沉量大208mm；充填體寬度大于2m時，頂板逐漸趨于同步下沉，下沉量逐漸減小。

(2)充填體寬度增大，底板鼓起量隨之增大；當充填體寬度為2.5m時，底板呈現同步鼓起。

(3)充填體寬度小于2.5m時，兩幫的變形量變化幅度平均為17.2%；充填體寬度大于2.5m時，兩幫的變形量幅度平均為8.3%。

3.3　巷旁充填體合理寬度

理論計算表明，充填體寬度應為2.32m以上。數值模擬研究表明，充填體寬度大于2.5m時，充填體中具有穩定承載區，頂板和兩幫變形量明顯減小、變形幅度平緩；但只有充填體寬2.5m時，底板同步鼓起，有利于運輸系統安全高效運行。由此確定合理的充填體寬度為2.5m。

4工程實踐

中興煤礦1204下工作面材料平巷斷面尺寸為4.5m×2.5m(寬×高)，采用高水速凝材料構筑巷旁充填體沿空留巷，水灰比為1.5∶1，充填體寬2.5m，高2.5m(為增強充填體剛度，將底板松軟破碎層起除，約厚0.5m)。

礦壓監測表明：一次采動作用下，留巷圍巖變形平穩，到工作面后方130m左右趨于穩定；穩定后頂底板移近量為804mm，底鼓量占77%，兩幫移近量為421mm，充填體幫變形量占68%；并且底板同步鼓起，運輸系統安全運行。

5結論

(1)2號上煤層回采使薄層頂板發生劇烈剪切滑移破壞，致使2號下煤層回采時，薄層頂板和2號上煤層冒落帶矸石同步垮冒，采空區冒落帶和裂縫帶重新發育，分別達到15.4m，49.2m。

(2)通過理論計算和數值模擬研究確定合理充填體寬度為2.5m。

(3)礦壓觀測表明，采用2.5m寬充填體時，頂底板移近量為804mm，底板鼓起量占77%，底板同步鼓起；兩幫移近量為421mm，充填體幫占68%。沿空留巷圍巖維護效果較為理想。

[參考文獻]

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[5]張玉軍.近距離多煤層開采覆巖破壞高度與特征研究[J].煤礦開采，2010，15(6)：9-11，8.

[6]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京：煤炭工業出版社，2000.

[7]錢鳴高，繆協興，許家林，等.巖層控制的關鍵層理論[M].徐州：中國礦業大學出版社，2000.

[8]郭育光，柏建彪，侯朝炯.沿空留巷巷旁充填體主要參數研究[J].中國礦業大學學報，1992(4)：1-11.

[9]侯朝炯，馬念杰.煤層巷道兩幫煤體應力和極限平衡區的探討[J].煤炭學報，1989(4)：21-29.

[責任編輯：徐乃忠]

Rational Width of Stowing Body for Retaining Roadway along Gob under Thin Roof

JIA Xiao-liang1，LIAN Chang-jun1，CHEN Yong2，LIU Xue-yong3

(1.Chongqing Research Institute Co.，Ltd.,China Coal Technology Engineering Group，Chongqing 400037，China； 2.Mining Engineering School，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China； 3.Yanzhou Mining Group Co.，Ltd.,Jining 273500，China)

Abstract：Applying theoretical calculation and numerical simulation to researching stability of thin roof over retaining roadway along gob in 1204 mining face of Zhongxing Colliery，influence of different stowing body widths on stress distribution，deformation and failure characteristic was analyzed.It was obtained that the load of stowing body was mainly statistic load，and that caving zone height and fissure zone height was respectively 15.4m was 49.2m.Rational stowing body width was confirmed to be 2.5m，and field observation showed that surrounding rock stability was good.

Keywords：thin roof；retaining roadway along gob；width of stowing body；load of retaining roadway

[作者簡介]賈曉亮(1982-)，男，內蒙古突泉人，碩士研究生，從事礦井瓦斯災害防治成套技術服務工作。

[收稿日期]2015-03-06

[中圖分類號]TD350.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0062-04