吳志剛,魏 斌

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；4.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

沿空留巷是指利用木垛、密集支柱、矸石帶、低強(qiáng)度高水材料、高強(qiáng)度高水材料和膏體材料等多種材料，在采空區(qū)邊緣施工一道充填體(可看作人造“煤柱”)。充填體有多種用途：一是承載作用，能夠承受一定結(jié)構(gòu)上覆巖層載荷，形成普通巷道；二是密閉作用，防止采空區(qū)瓦斯和水的泄漏等等[1-5]。沿空留巷技術(shù)取消了工作面煤柱，可以提高煤炭資源采出率，減少巷道掘進(jìn)量；還可以消除上隅角瓦斯超限，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采等[6]。

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者提出過(guò)充填體載荷計(jì)算公式。吳健[1]、孫恒虎[7]根據(jù)力矩平衡分別提出了充填體載荷的計(jì)算公式；李化敏[8]、李迎富[9]、張農(nóng)[10]、韓昌良[11]等通過(guò)分析上覆巖層的關(guān)鍵塊體，提出充填體工作阻力計(jì)算公式和留巷結(jié)構(gòu)控制原理；袁亮等[12]分析上覆巖層側(cè)向砌體梁絞式平衡結(jié)構(gòu)，提出沿空留巷圍巖的“大-小”結(jié)構(gòu)模型。涂 敏[13]根據(jù)頂板撓曲運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算充填體支護(hù)阻力；譚云亮[14]根據(jù)充填體變形和載荷特性，計(jì)算巷旁充填體強(qiáng)度。上述學(xué)者研究主要集中在埋深較大礦井的沿空留巷，充填體局部破裂，巷道變形大，整體呈給定變形特性。

而楊繼元[15]、王海兵[16]等研究了埋深100m左右的榆家梁煤礦43308工作面柔?；炷料锱灾ёo(hù)的施工工藝及沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，巷中頂?shù)装逦灰屏繛?0mm。楊俊彩[17]、李雪佳[18]等采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究了埋深接近260m的上灣煤礦中沿空留巷錨桿支護(hù)、留巷寬度、柔模混凝土寬度等參數(shù)，監(jiān)測(cè)的巷道頂?shù)装遄畲笠平?19mm?？梢?jiàn)在淺埋深沿空留巷過(guò)程中留巷整體變形小，留巷穩(wěn)定性好。但是充填體載荷相對(duì)較大，具有明顯淺埋深特性，因此需要對(duì)淺埋深充填體承載特性和載荷估算等進(jìn)行研究，為淺埋深留巷充填體設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 淺埋深混凝土充填沿空留巷礦壓顯現(xiàn)特征

沿空留巷技術(shù)在20世紀(jì)70年代后期在我國(guó)廣泛使用，早期主要集中在埋深為100～300m巷道，巷旁支護(hù)材料主要為矸石帶、木垛、高水速凝材料、石灰袋等多種材料，上述充填材料變形能力強(qiáng)。楊莊礦曾用梯形金屬棚和矸石帶作為聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行留巷，巷道變形大，頂?shù)滓平?20mm；開(kāi)灤唐家莊礦留巷可縮性支架與木垛聯(lián)合支護(hù)，木垛可縮量高達(dá)留巷高度的40%～50%。矸石帶和木垛的典型特點(diǎn)為早期強(qiáng)度低、后期強(qiáng)度高、承載慢、變形大，巷道基本都是“給定變形” 狀態(tài)。

而現(xiàn)在使用的柔?；炷猎缙趶?qiáng)度高，4h能夠達(dá)到早期強(qiáng)度，滿足巷道外側(cè)快速承載，采空區(qū)內(nèi)切頂?shù)囊?。淺埋深柔?；炷裂乜樟粝镏校锏雷冃魏湾^桿錨索載荷等礦壓規(guī)律也分為前期、中期、后期3個(gè)不同階段。早期時(shí)，充填體早期強(qiáng)度和錨索錨桿的聯(lián)合支護(hù)，形成較大切頂能力，充填體上部巖層開(kāi)采垮落，初步形成倒臺(tái)階巖層結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為頂?shù)装?、兩幫移近速度慢，充填體載荷小，巷內(nèi)單體支柱載荷較小。中期時(shí)，隨著工作面推進(jìn)，充填體上部巖層分層垮落高度達(dá)到最大，充填體載荷最大，表現(xiàn)為頂?shù)装?、兩幫移近速度快，占全部變形量?0%～80%，充填體載荷快速增加并達(dá)到最大。后期時(shí)，隨著工作面遠(yuǎn)離，充填體上部巖層充分垮落和采空區(qū)破碎圍巖體壓實(shí)，上覆巖層再平衡，并穩(wěn)定，表現(xiàn)為頂?shù)装?、兩幫移近量增大，最終趨于穩(wěn)定；如果較早撤出單體支柱等輔助支護(hù)，錨桿錨索端部載荷會(huì)呈急增阻特性；充填體載荷有所下降，并趨于穩(wěn)定。在沿空留巷整個(gè)過(guò)程中，巷道整體呈現(xiàn)控制變形的特性，充填體的載荷較大。

2 充填體載荷估算方法探討

以上學(xué)者對(duì)淺埋深沿空留巷的研究中,主要研究集中在充填工藝、留巷礦壓規(guī)律分析等,少有對(duì)留巷的充填體載荷進(jìn)行估算以及載荷驗(yàn)證等工作。充填體是一個(gè)人造煤柱，在煤柱載荷分析研究中，Mark研究大量實(shí)際案例，考慮側(cè)向載荷對(duì)煤柱穩(wěn)定性的影響，提出長(zhǎng)壁工作面煤柱載荷的計(jì)算方法[19]，認(rèn)為一次回采結(jié)束后煤柱中承擔(dān)的最大載荷可以表示為：

Lmax=Lt+LsR

根據(jù)淺埋深柔?；炷裂乜樟粝锾卣鳎涮铙w控制巷道頂板變形，能夠承載全部上覆巖層。結(jié)合Mark長(zhǎng)壁煤柱穩(wěn)定性分析法和工作面頂板巖層移動(dòng)規(guī)律，提出沿空留巷充填體承載結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)面積分?jǐn)偡?，充填體承載上覆巖層包括：巷道寬度一半上覆巖層、充填體全部和采空區(qū)側(cè)向支承角上部巖層，如圖1中虛線包圍巖層。文獻(xiàn)[19]研究不同煤礦、不同巖層側(cè)向支承角取值范圍。中硬頂板條件下，煤柱側(cè)向支承角θ近似20°，軟弱頂板近似10°，堅(jiān)硬頂板近似30°。

圖1 充填體承載結(jié)構(gòu)示意

充填體載荷估算公式：

式中，A為留巷巷道寬度；B為充填體寬度；h為垮落帶高度(參見(jiàn)建筑物下水體下導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算公式，公式見(jiàn)表1，式中M為采高)；θ為側(cè)向支承角(取值見(jiàn)表1)；H為工作面埋深；γ為工作面上覆巖層容重，0.025～0.027N/mm2。

表1 載荷計(jì)算公式參數(shù)

3 工程驗(yàn)證

榆家梁煤礦43308工作面采用柔?；炷裂乜樟粝?工作面平均埋深100m，走向長(zhǎng)度為2147m，工作面長(zhǎng)度為300m，煤層平均厚度1.87m，傾角1°～ 3°，在43308工作面上部42208 工作面采空塌陷區(qū)，距離13～17m，平均15m。43308運(yùn)輸巷道掘進(jìn)寬度5.5m，留巷寬度4.5m，柔?；炷翆挾葹?m，混凝土標(biāo)號(hào)為C20[15]。

文獻(xiàn)[15]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)充填體的載荷為10MPa，載荷估算公式較好吻合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)論裂縫帶取高值還是中值，充填體載荷估算公式計(jì)算結(jié)果都小于充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度。理論計(jì)算結(jié)果證明沿空留巷是成功的，這和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及應(yīng)用效果一致。

4 探討與結(jié)論

(1)實(shí)踐表明，巷道埋深淺并不意味充填體載荷小。在淺埋深沿空留巷過(guò)程中需要充填體能夠控制巷道變形，不僅需要充填體具有較高早期強(qiáng)度、切頂能力，而且需要充填體后期強(qiáng)度高，承載能力強(qiáng)，能夠滿足工程需要。

(2)在高強(qiáng)度柔?；炷裂乜樟粝镙d荷估算分析中，把充填體看作一個(gè)煤柱，結(jié)合長(zhǎng)壁煤柱載荷分析方法，提出充填體載荷的估算公式。該公式包括采高、留巷寬度、充填體寬度和巷道頂板巖性等關(guān)鍵參數(shù)。為留巷寬度、充填體寬度和充填材料及強(qiáng)度選擇提供基礎(chǔ)，減少沿空留巷參數(shù)設(shè)計(jì)的盲目性。

(3)載荷估算公式在軟弱頂板條件下，比較符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的充填體載荷，仍需要在中硬頂板、堅(jiān)硬頂板等條件下進(jìn)一步驗(yàn)證。