苗凱軍，屠世浩，劉 迅，紀(jì)欣卓

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

沿空留巷作為一種無煤柱開采技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，可提高煤炭采出率、降低礦井掘進(jìn)率、實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)解決瓦斯問題等。目前，該技術(shù)在條件較好的薄及中厚煤層中已日漸發(fā)展成熟[1]，但在深部和堅(jiān)硬頂板等復(fù)雜條件下因礦壓顯現(xiàn)劇烈和強(qiáng)烈的開采擾動(dòng)導(dǎo)致留巷圍巖發(fā)生大變形，以致于留巷技術(shù)在深部難以推廣[2-4]。近年來應(yīng)國家對礦山綠色開采的要求，固體充填開采技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和推廣[5]。憑借其較好的巖層控制效果和緩和的礦壓條件，有利于克服深部、堅(jiān)硬頂板等復(fù)雜條件下沿空留巷無煤柱開采的技術(shù)難題[6]。對此，許多學(xué)者對充填開采條件下的沿空留巷技術(shù)進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐。

黃艷利等[7]認(rèn)為合理地組織采充留工藝和充實(shí)率較好的條件下巷旁充填體的形式和合理的支護(hù)方案是沿空留巷的施工關(guān)鍵。張吉雄等[8]通過建立夯實(shí)引起的側(cè)壓力對矸石墻穩(wěn)定性影響的力學(xué)模型，確定了合理的巷旁矸石墻寬度。此外，對不同形式的巷旁支護(hù)體及其力學(xué)特性也已經(jīng)有相關(guān)研究:巨峰等[9]通過數(shù)值模擬優(yōu)化了矸石墻的強(qiáng)度、寬高比和采空區(qū)充實(shí)率;譚云亮等[10]提出了“柔-強(qiáng)”巷旁支護(hù)體的適應(yīng)性;龔鵬[11]建立了充填區(qū)對巷旁支護(hù)體側(cè)壓力分析模型，分析了混泥土巷旁支護(hù)體的留巷特征;陳志維等[12]提出矸石帶與注漿聯(lián)合留巷技術(shù)可減小巷道變形量。上述研究表明，在沿空留巷技術(shù)中，采空區(qū)充實(shí)率和巷旁支護(hù)體的力學(xué)特性對留巷效果具有重要影響。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，因矸石供應(yīng)量不穩(wěn)定，面對深部厚硬頂板條件下充填面沿空留巷大變形的問題，盲目地提高護(hù)巷矸石墻強(qiáng)度、增加矸石墻寬度、加強(qiáng)巷內(nèi)支護(hù)，不僅導(dǎo)致沿空留巷施工效率降低和成本增大，而且留巷效果仍然不能得到保證。

筆者以山東某“采選充”一體化礦井的沿空留巷為工程背景，對深部充填面沿空留巷的厚硬頂板運(yùn)移特征進(jìn)行了分析，采用等價(jià)采高理論得出了充實(shí)率和留巷頂板下沉量的幾何關(guān)系，提出了對應(yīng)的留巷大變形控制對策，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測證明所提措施可有效控制留巷的大變形。

1 工程概況

研究礦井為山東某采選充一體化礦井，礦井開采水平為-810 m，地面標(biāo)高為43 m。為實(shí)現(xiàn)矸石不出井、緩解礦井提升壓力，井下采用了“采選充+留”一體化開采模式[13]，實(shí)現(xiàn)了井下矸石分選并在充填面實(shí)行了沿空留巷。

1302N-2長壁充填工作面位于一采區(qū)，主采3上煤，工作面長85 m，煤層采高平均2.7 m。直接頂為20 m厚的粉砂巖，基本頂為4 m厚的細(xì)粒砂巖，直接底為1.5 m厚的泥巖。回采巷道凈寬5 m，凈高3.7 m。初次掘巷沿煤層頂板掘進(jìn)，破泥巖底板成巷，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。對工作面運(yùn)矸巷采用巷旁壘砌矸石墻的方式沿空留巷，充填材料為粒徑<50 mm的矸石，裝滿矸石的編織袋尺寸為0.3 m×0.5 m×0.2 m，壘筑寬為2～3 m的矸石墻。

目前對矸石墻廣泛采取的支護(hù)方式為“錨桿+金屬網(wǎng)+鋼帶+鋼筋梯梁”。據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，矸石墻內(nèi)部應(yīng)力遠(yuǎn)低于原巖應(yīng)力[8]，通過在采空區(qū)側(cè)隨矸石墻壘筑敷設(shè)薄層復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的密閉。

工作面端頭留巷側(cè)采取多種措施進(jìn)行頂板管理。對頂板采取加強(qiáng)支護(hù)措施如圖1所示，除端頭支架外，對施工矸石墻處頂板，在端頭支架前采用鋼帶或回收的輸送機(jī)膠帶配合錨桿進(jìn)行支護(hù)，簡稱為“皮錨帶支護(hù)”。在巷道超前范圍內(nèi)對頂板補(bǔ)打錨索，上端頭7 m范圍內(nèi)鋪設(shè)菱形網(wǎng)。留巷巷內(nèi)，從矸石墻施工位置起10～20 m采用單體支護(hù)，單體支護(hù)之后支設(shè)φ22 cm的圓木墩柱隔離護(hù)巷矸石墻，在留巷前期支撐頂板以掩護(hù)矸石墻的留設(shè)，防止留巷失穩(wěn)和躥矸傷人。

圖1 留巷側(cè)端頭支護(hù)Fig.1 Support diagram of retaining entry side

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在充填留巷后，隨著工作面推進(jìn)，工作面后方超過一定距離，頂板運(yùn)移基本穩(wěn)定，部分留巷區(qū)段出現(xiàn)了嚴(yán)重的大變形，嚴(yán)重影響了留巷巷道的使用。

2 厚硬頂板留巷大變形分析

本工程中的留巷大變形主要表現(xiàn)為頂板劇烈下沉、矸石墻側(cè)向大變形和強(qiáng)烈的底臌，位置主要分布于工作面充實(shí)率較低區(qū)域，發(fā)生于采空區(qū)頂板劇烈下沉階段。其中劇烈的底臌是由于深部開采的高原巖應(yīng)力和強(qiáng)開采擾動(dòng)特征與本工程的泥巖底板地質(zhì)條件相疊加形成的。在巷道采取起底措施后，底板變形基本穩(wěn)定，對留巷變形影響較小。因此，主要需分析頂板下沉和巷旁充填體的側(cè)向大變形。

對于長壁固體密實(shí)充填采煤沿空留巷，根據(jù)充填開采巖層移動(dòng)特征，在充實(shí)率超過一定值后，采空區(qū)覆巖運(yùn)移特征將呈兩帶發(fā)育，直接頂、基本頂無明顯破斷和垮落現(xiàn)象[14]。假設(shè)厚硬頂板整體向采空區(qū)發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，充填采空區(qū)近似均勻下沉，可建立厚硬頂板下充填開采沿空留巷結(jié)構(gòu)力學(xué)模型(圖2)。根據(jù)沿空留巷頂板的變形特征，頂板在橫向可分為3個(gè)區(qū):受彈性煤體支撐的彈性變形區(qū)A，受采空區(qū)充填體支撐的壓實(shí)變形區(qū)C，以及受塑性煤壁、巷內(nèi)支護(hù)、護(hù)巷矸石墻、采空區(qū)充填體共同支撐、支護(hù)的變形協(xié)調(diào)區(qū)B。

圖2 厚硬頂板下充填開采沿空留巷結(jié)構(gòu)力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of backfilling gob-side entry retaining under thick and hard roof

圖2中，L1為留巷煤幫P至煤體彈塑性邊界O的距離，m;L2為巷道跨度，m;L3為矸石墻寬度，m;L4為不夯實(shí)充填區(qū)寬度，m;L0為變形協(xié)調(diào)區(qū)長度，m。

B區(qū)巖梁直接處于留巷上方，其運(yùn)移對沿空留巷起決定性作用，因此被稱為“關(guān)鍵塊”[15]。為實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵塊的控制作用，根據(jù)頂板“S-R”穩(wěn)定性原理[16]，從采場角度可通過提高采空區(qū)充實(shí)率減小C區(qū)頂板的下沉量，進(jìn)而增加頂板間的擠壓和咬合作用，間接限制了關(guān)鍵塊的回轉(zhuǎn)下沉量。采空區(qū)充填效果越好，頂板完整性越好，厚硬頂板沿空留巷的頂板下沉越符合本結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。

充填開采沿空留巷巷旁矸石墻與傳統(tǒng)的沿空留巷巷旁支護(hù)體不同，矸石墻不需要具備很大的強(qiáng)度去切斷頂板，僅需發(fā)揮結(jié)構(gòu)性支撐作用減小頂板巖梁的跨度和維護(hù)頂板自身的完整性。而且，在頂板的給定變形下，受側(cè)限支護(hù)的矸石墻在有限的強(qiáng)度范圍內(nèi)，其強(qiáng)度越大，側(cè)向變形量越小。因此，根據(jù)巷道圍巖控制的大小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原理[17]，依次分析采空區(qū)充實(shí)率和矸石墻強(qiáng)度等因素對留巷大變形的影響。

2.1 充實(shí)率與頂板下沉量

根據(jù)等價(jià)采高理論[18]，工作面采高H由采空區(qū)頂板下沉量Δhg(包括頂板提前下沉量、欠接頂量、充填物料的壓縮變形量)和充填體壓實(shí)高度Hz組成，與充實(shí)率φ關(guān)系為

Hφ=Hz

(1)

H(1-φ)=Δhg

(2)

Q處沿空留巷頂板最大下沉量為Δhv，假設(shè)厚硬頂板整體發(fā)生回轉(zhuǎn)，則S處B區(qū)和C區(qū)的頂板下沉量相等，均為Δhg。根據(jù)圖2，變形量符合以下幾何關(guān)系:

(3)

留巷頂板最大下沉量與充實(shí)率的關(guān)系為

(4)

為保證充足的留巷斷面，工程要求頂板下沉量要小于ΔZ(頂板最大變形量),則充實(shí)率應(yīng)滿足

(5)

2.2 矸石墻強(qiáng)度與側(cè)向變形分析

矸石墻作為護(hù)巷結(jié)構(gòu)體，在構(gòu)筑矸石墻之前，受采動(dòng)影響頂板已經(jīng)發(fā)生了微小下沉。護(hù)巷矸石墻施工接頂后，距工作面一定距離的留巷段頂板受來壓影響，將發(fā)生劇烈回轉(zhuǎn)下沉。劇烈的頂板回轉(zhuǎn)對矸石墻產(chǎn)生壓縮，待關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)完充填在采空區(qū)側(cè)的欠接頂空間之后，隨采空區(qū)充填體的壓實(shí)，留巷進(jìn)入穩(wěn)定變形階段，關(guān)鍵塊對矸石墻的壓縮作用也趨于穩(wěn)定。因此，矸石墻構(gòu)筑后在頂板發(fā)生回轉(zhuǎn)作用下受壓發(fā)生流變，矸石墻內(nèi)充填材料必然發(fā)生側(cè)向移動(dòng)。側(cè)向移動(dòng)作用于矸石墻側(cè)限支護(hù)的“錨網(wǎng)帶梁”支護(hù)構(gòu)件，隨即產(chǎn)生了矸石墻的側(cè)向大變形。因此需要增加其強(qiáng)度，減弱矸石墻受壓的流變特征。

2.3 矸石墻支護(hù)讓壓距離

工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，充實(shí)率確定的情況下，頂板下沉量變化較小，矸石墻受壓為給定變形狀態(tài)。在現(xiàn)有的支護(hù)密度下，矸石墻強(qiáng)度不變。矸石墻受壓發(fā)生流變過程中，“錨網(wǎng)帶梁”的豎向鋼帶全長接頂接底支護(hù)不利于側(cè)向變形的釋放。采取不同長度的鋼帶支護(hù)，矸石墻變形特征不同。因此將豎直鋼帶距離頂?shù)装宓木嚯x之和稱為矸石墻支護(hù)的讓壓距離，確定強(qiáng)度的矸石墻下合理的讓壓距離有利于減小矸石墻的側(cè)向變形量。

由此得出，采空區(qū)充實(shí)率是厚硬頂板充填工作面沿空留巷大變形的主控因素，在充實(shí)率確定的情況下，矸石墻強(qiáng)度影響墻體整體變形的大小，矸石墻支護(hù)的讓壓距離有利于釋放流變變形。以本礦井為例，通過充填控制頂板最大變形量ΔZ為300 mm，根據(jù)一側(cè)采空煤柱彈塑性變形及應(yīng)力分布規(guī)律[16]，塑性區(qū)寬度L1一般為3～20 m，充填開采時(shí)取最小值3 m，巷道跨度為5 m，護(hù)巷矸石墻寬度取2.2 m,不夯實(shí)距離取3 m，采高H取平均值為2.7 m，則采空區(qū)充實(shí)率需>82%。

3 留巷大變形控制對策

通過對厚硬頂板充填面沿空留巷大變形的原因分析可知，采空區(qū)充實(shí)率不足是沿空留巷發(fā)生大變形的根本原因。因此，提高采空區(qū)充實(shí)率是本工程中控制留巷大變形的主要手段。

對于傳統(tǒng)的充填開采，來自地面的矸石供應(yīng)量充足，可保證工作面達(dá)到設(shè)計(jì)的充實(shí)率。然而，在采選充一體化礦井中，因礦井系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)矸系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較差，井下生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)矸量、煤矸分離系統(tǒng)的分選量、煤矸物流系統(tǒng)的運(yùn)輸量均存在一定的波動(dòng)性，導(dǎo)致局部留巷側(cè)的充實(shí)率不足。因此，首先需明確本工程條件下不同充實(shí)率的留巷圍巖的應(yīng)力位移規(guī)律，繼而在均衡礦井矸石充填量后提出了低充實(shí)率下的留巷大變形控制對策:① 優(yōu)先加強(qiáng)留巷側(cè)采空區(qū)充填;② 提高矸石墻強(qiáng)度;③ 優(yōu)化矸石墻支護(hù)參數(shù)。

由于充填采空區(qū)的不可接觸性，以及現(xiàn)場實(shí)測存在安全性差、觀測實(shí)驗(yàn)費(fèi)用昂貴的問題，本文采用FLAC3D軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

3.1 模型的建立

以研究的采選充一體化礦井留巷的充填工作面建立數(shù)值模型，模型長200 m，包括工作面長85 m，兩巷寬5 m，高取4 m。兩側(cè)留有煤柱，左側(cè)煤柱寬50 m，右側(cè)煤柱寬55 m，以消除邊界效應(yīng)。沿工作面推進(jìn)方向中部截取1 m，模型高83 m，建立模型如圖3所示。頂板有20 m厚的粉砂巖為直接頂，其上有細(xì)粒砂巖、粉砂巖、中粒砂巖、泥巖，底板包含泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖，在巖層間建立Interface模擬開挖后層理弱面對巖層位移和應(yīng)力的影響[19]。對模型四周和底部施加位移邊界條件，依據(jù)工作面附近的地應(yīng)力測試結(jié)果對頂部施加18.13 MPa的等效載荷，X方向施加最小主應(yīng)力11.25 MPa，Y方向施加最大主應(yīng)力20.96 MPa，Z方向施加中間主應(yīng)力20.16 MPa。初始地應(yīng)力生成均采用Mohr-Coulomb Model，煤層開采后采空區(qū)充填和巷旁矸石墻均采用Double-Yield Model模擬碎石的壓實(shí)過程[20]，采空區(qū)不同的充實(shí)率以充填體不同的最大體應(yīng)變表征，參數(shù)見表1。以巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過經(jīng)驗(yàn)折減，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表2。

圖3 頂?shù)装逄卣骷皵?shù)值模型Fig.3 Roof and floor strata characteristics and numerical models

表1 雙屈服本構(gòu)模型物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of double-yield model

3.2 模擬方案

模擬采取單因素分析法。研究方案見表3。為明確深部厚硬頂板不同充實(shí)率條件下的留巷圍巖的應(yīng)力位移特征，因?qū)嶋H充填開采中充實(shí)率不能達(dá)到100%，工作面平均充實(shí)率一般>50%，并與垮落法管理頂板進(jìn)行對比，于是，筆者提出：

(1)方案1：采空區(qū)充實(shí)率分別取0,50%,60%,70%,80%,90%。

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock strata

表3 數(shù)值模擬方案Table 3 Numerical simulation scheme

(2)方案2:優(yōu)先加強(qiáng)留巷側(cè)采空區(qū)充填。工作面平均充實(shí)率為φ，長度為Ll的工作面沿走向分為提高充實(shí)率段Lt(充實(shí)率φt)和降低充實(shí)率段Lj(充實(shí)率φj)。在充填矸石量不足且固定的情況下，建立不同充實(shí)率段長度和充實(shí)率關(guān)系如下:

Lt+Lj=Ll

(6)

Ltφt+Ljφj=Llφ

(7)

工作面長度Ll取85 m，平均充實(shí)率φ取60%。綜合覆巖控制效果和經(jīng)濟(jì)因素，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，φt取80%，以加強(qiáng)充填段長度Lt為變量，最大Lt需超過工作面長度的一半，即42.5 m，對Lt分別取6個(gè)長度參數(shù):8,16,24,32,40,48 m，據(jù)此提出方案2,見表4。

(3)方案3:為控制矸石墻側(cè)向大變形，參考常用的巷旁支護(hù)技術(shù)，矸石墻強(qiáng)度一般<6 MPa，所以提出分別模擬巷旁支護(hù)體強(qiáng)度為2,3,4,5 MPa條件下的留巷效果。

表4 方案2各數(shù)值實(shí)驗(yàn)詳細(xì)參數(shù)Table 4 Detailed parameters of each numerical experiment in the second scheme

(4)方案4:根據(jù)矸石袋無側(cè)限支護(hù)下的壓縮實(shí)驗(yàn)[21]，最大垂直應(yīng)變?yōu)?.17，建模巷高4 m，最大垂直變形為0.68 m，則取矸石墻支護(hù)讓壓距離分別為0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 m。

3.3 模擬結(jié)果分析

3.3.1工作面充實(shí)率

方案1中不同充實(shí)率下直接頂應(yīng)力分布如圖4所示。模型開挖后，對采空區(qū)采用Double-Yield Model進(jìn)行充填，運(yùn)行相同的計(jì)算時(shí)步后，通過對直接頂應(yīng)力分布進(jìn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn):隨著充實(shí)率的增大，工作面?zhèn)认蛑С袎毫χ饾u降低，應(yīng)力集中系數(shù)由垮落法開采時(shí)的2.20降低至1.42，采空區(qū)頂板受充填體支撐作用逐漸增大，在壓實(shí)較為充分的采空區(qū)中部，由13.08 MPa逐漸上升至19.85 MPa，充實(shí)率80%和90%時(shí)采空區(qū)中部支承壓力基本相等。

圖4 不同充實(shí)率下直接頂應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of direct roof under different backfilling percentage

工程中發(fā)現(xiàn)，充實(shí)率較低的情況下，對應(yīng)留巷段的礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，頂板下沉量較大，巷道變形劇烈，且難以補(bǔ)救。而充實(shí)率>80%后，巖層控制效果差異較小，工作面來壓較弱。不同充實(shí)率下直接頂位移特征如圖5 所示。關(guān)鍵塊運(yùn)移特征整體表現(xiàn)為向采空區(qū)側(cè)發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，與結(jié)構(gòu)力學(xué)模型中的頂板運(yùn)移假設(shè)具有較好的一致性。充實(shí)率為0時(shí)，頂板下沉量達(dá)373 mm。隨著充實(shí)率增大，頂板下沉量逐漸減小，充實(shí)率由60%增大至90%，留巷頂板下沉量由275 mm降低至125 mm。

3.3.2留巷側(cè)加強(qiáng)充填

根據(jù)方案2(表4)對留巷側(cè)進(jìn)行加強(qiáng)充填，模型開挖至應(yīng)力平衡后，測線布置于煤層之上3 m的直接頂。不同加強(qiáng)充填段長度下覆巖應(yīng)力云圖如圖6所示，圖6(a),(g)的采空區(qū)應(yīng)力峰值位于采空區(qū)中部，由圖6(a)～(f)，隨著留巷側(cè)加強(qiáng)充填區(qū)域變長，由圖6(b)開始，留巷側(cè)加強(qiáng)充填區(qū)域開始表現(xiàn)出高支承應(yīng)力，且由圖6(b)～(f)，高支撐應(yīng)力區(qū)域長度逐漸變長，由圖6(c)開始出現(xiàn)高于原巖應(yīng)力的承載區(qū)，且圖6(c)～(f)，高于原巖應(yīng)力的承載區(qū)長度逐漸變長。

圖6 不同加強(qiáng)充填段長度下覆巖應(yīng)力云圖Fig.6 Overburden stress cloud diagram at different lengths of strengthen backfilling section

提取測線數(shù)據(jù)，直接頂應(yīng)力分布如圖7所示。對于加強(qiáng)充填段，除曲線A外，頂板垂直應(yīng)力由留巷側(cè)向采空區(qū)側(cè)逐漸升高，且加強(qiáng)充填段長度大于24 m后，曲線C，D，E，F(xiàn)應(yīng)力峰值超過原巖應(yīng)力19.8 MPa。證明加強(qiáng)充實(shí)段需要大于一定的長度才能保證其充實(shí)率充分發(fā)揮對頂板的支撐作用，而不被矸石的流動(dòng)特性所削弱。隨Lt的增大，頂板的垂直應(yīng)力峰值向采空區(qū)中心轉(zhuǎn)移，有利于減小采空區(qū)充填體對矸石墻的側(cè)向擠壓作用。對于充實(shí)率降低段，其長度由77 m減小到37 m，對應(yīng)充實(shí)率由58%降至40%，頂板的垂直應(yīng)力逐漸降低。在工程中表現(xiàn)為，隨Lt的加長更有利于沿空留巷圍巖控制。然而工作面充實(shí)率不同的過渡段垂直應(yīng)力的差值逐漸增大，會(huì)給工作面設(shè)備選型和頂板管理帶來影響。

圖7 直接頂應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of direct roof

由圖8可知，曲線A～F隨加強(qiáng)充填段的加長，留巷頂板下沉量逐漸減小，留巷頂板最大下沉量由310 mm減小到244 mm。與全工作面按60%充實(shí)率充填的曲線G相比，僅有曲線D,E,F更好地控制了留巷頂板下沉。結(jié)合圖7，除曲線A外，充填加強(qiáng)側(cè)頂板應(yīng)力普遍高于曲線G，可見通過加強(qiáng)留巷側(cè)充填的措施，增強(qiáng)采空區(qū)充填體對頂板的支撐作用和減小留巷頂板下沉的下沉量均需加強(qiáng)充填段超過一定的長度。方案中，對于加強(qiáng)充填段長度，為減小頂板下沉量需大于32 m，為增強(qiáng)對留巷頂板的支撐作用需大于8 m。

3.3.3矸石墻強(qiáng)度

選取方案2中編號(hào)為D模擬條件，因其更好地控制了留巷頂板下沉。對巷旁矸石墻采用不同參數(shù)的Double-Yield Model進(jìn)行模擬，通過標(biāo)定其強(qiáng)度值，分別模擬矸石墻強(qiáng)度為2,3,4,5 MPa時(shí)的留巷效果。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，因矸石墻強(qiáng)度有限，沿空留巷頂板下沉量受矸石墻強(qiáng)度影響較小。由圖9可知，隨著矸石墻強(qiáng)度的增大，直接頂受矸石墻的支撐作用逐漸增大，但增幅較小。由圖10可知，矸石墻在壓應(yīng)力下產(chǎn)生的側(cè)向變形量逐漸減小，在矸石墻中部，側(cè)向位移由395 mm減小至184 mm。

圖8 留巷頂板下沉量Fig.8 Direct roof displacement characteristics of retained roadway

圖9 直接頂應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution of direct roof

圖10 矸石墻的側(cè)向變形量Fig.10 Lateral deformation of gangue lining wall

3.3.4矸石墻支護(hù)讓壓距離

選取方案2中編號(hào)為D模擬條件，矸石墻強(qiáng)度取5 MPa。因?qū)嶋H中護(hù)巷矸石墻內(nèi)應(yīng)力較小，留巷過程中鮮有鋼帶和錨桿的失效情況發(fā)生，所以采用Beam構(gòu)件和Cable構(gòu)件模擬鋼帶和錨桿的側(cè)向約束作用，構(gòu)件間采用剛性聯(lián)結(jié)。通過減小Beam構(gòu)件長度分別模擬鋼帶的支護(hù)讓壓距離為0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 m的情況。模型計(jì)算相同時(shí)步后，隨著讓壓距離的加大，如圖11所示，頂板對矸石墻的壓應(yīng)力明顯減小。但是留巷頂板下沉量基本沒有變化。根據(jù)圖12統(tǒng)計(jì)，矸石墻側(cè)向的變形量明顯減小，讓壓距離由0.2 m增大至0.6 m，側(cè)向變形量由366 mm減小至210 mm，讓壓距離>0.4 m后側(cè)向變形量減小幅度降低。工程中因矸石墻施工初期阻擋矸石袋的需要，矸石袋高0.2 m，鋼帶距頂?shù)装寰尦?.15～0.20 m的長度，支護(hù)的讓壓距離取0.3～0.4 m。

圖11 不同支護(hù)讓壓距離下頂板應(yīng)力分布Fig.11 Stress distribution of roof under different support pressure relief distances

圖12 不同支護(hù)讓壓距離下矸石墻側(cè)向變形Fig.12 Lateral deformation of gangue lining wall under different support pressure relief distances

4 現(xiàn)場實(shí)測

充填工作面在實(shí)際充填過程中，由于矸石量供應(yīng)不穩(wěn)定，存在不同充實(shí)率的留巷段。本文分別對充實(shí)率為60%和充實(shí)率為80%的留巷段進(jìn)行了為期60 d的留巷圍巖變形監(jiān)測，其中工程條件1:充實(shí)率為60%的留巷段，矸石墻采取鋼帶全長支護(hù)，讓壓距離為0。工程條件2:充實(shí)率為80%的留巷段，矸石墻支護(hù)讓壓距離為0.4 m，支護(hù)方式如圖13所示。監(jiān)測結(jié)果如圖14所示，從工程條件1到工程條件2，采取提高充實(shí)率和增大矸石墻讓壓支護(hù)距離后，巷道頂板下沉量由376 mm減小到329 mm，與結(jié)構(gòu)力學(xué)模型所述充實(shí)率與頂板下沉量關(guān)系基本一致。矸石墻側(cè)向變形由347 mm減小至199 mm，控制效果較好，表明控制對策有效。巷道煤壁側(cè)位移量變化較小，對較大的底臌量采取了起底措施。

圖13 矸石墻的讓壓支護(hù)方案Fig.13 Pressure relief supporting scheme of gangue lining wall

圖14 充實(shí)率不同的留巷段變形監(jiān)測Fig.14 Deformation monitoring of retained entry area under different engineer conditions

現(xiàn)場施工時(shí)，留巷寬度比原巷道擴(kuò)大300 mm，預(yù)留出了足夠的矸石墻側(cè)向變形空間。此外，為減小夯實(shí)作用對矸石墻施工的影響，矸石墻施工位置一般為上巷，且靠近矸石墻的采空區(qū)側(cè)2～3架距離只卸矸，不進(jìn)行夯實(shí)處理。

5 結(jié)論與展望

(1)在充實(shí)率較好的情況下，厚硬頂板整體向采空區(qū)側(cè)發(fā)生回轉(zhuǎn)，建立的厚硬頂板下充填開采沿空留巷結(jié)構(gòu)力學(xué)模型可較好地描述采空區(qū)充實(shí)率和頂板下沉的關(guān)系，實(shí)測充實(shí)率為80%時(shí)頂板下沉量為329 mm，與理論計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性。

(2)充實(shí)率是影響厚硬頂板下充填開采沿空留巷巷道變形的根本原因，提高采空區(qū)充實(shí)率是巷道大變形控制的主要手段。此外，增大矸石墻強(qiáng)度和確定矸石墻讓壓支護(hù)的合理距離有利于減小矸石墻的側(cè)向大變形。

(3)數(shù)值模擬表明，矸石有限的情況下，超過一定長度加強(qiáng)留巷側(cè)采空區(qū)充填有利于留巷圍巖的控制。對于加強(qiáng)充填段長度，當(dāng)Lt大于一定值才能克服矸石自身的流動(dòng)特性，起到對覆巖較好的承載作用。隨Lt增大，充填體對覆巖的支撐應(yīng)力峰值向采空區(qū)移動(dòng)，有利于減小對留巷施工的干擾。隨Lt增大，另一側(cè)充實(shí)率降低，導(dǎo)致充實(shí)率過渡段應(yīng)力差值較大，會(huì)對設(shè)備選型和頂板管理產(chǎn)生影響。

(4)實(shí)測表明，采取巷旁加強(qiáng)充填、矸石墻支護(hù)合理讓壓的措施可有效控制留巷大變形，有效減小了頂板下沉量，顯著控制了矸石墻側(cè)向大變形。

為提高矸石墻強(qiáng)度，通過加強(qiáng)矸石墻側(cè)向支護(hù)，其成本高，效果差。因此需研發(fā)新型的矸石及聚合物充填材料，以期通過水泥等凝膠材料，配合破碎矸石中的大小骨料，形成井下高強(qiáng)度、低成本、易施工的混凝土材料。研究證明加強(qiáng)留巷側(cè)采空區(qū)充填的措施有效，工程中的矸石物流運(yùn)輸?shù)牧髁靠刂?、過渡支架的設(shè)備配套等問題，需要進(jìn)一步開展相關(guān)研究。