冀建華

（華陽集團新景公司，山西 陽泉 045000）

沿空留巷作為一種無煤柱護巷技術，可以大幅度減少井下巷道掘進工程量，并提高煤炭資源的回收率，但沿空留巷需承受2次采動影響，其圍巖的穩(wěn)定性較難維護[1-3]。為此，眾多學者進行了深入研究，并取得了較多的成果，如郝龍等[4]綜合運用數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測的方法，分析了不同充填體寬度下的圍巖變形演化規(guī)律，并確定出最佳充填體寬度為1.4 m；陳勇等[5]采用理論分析及數(shù)值模擬的方法，得出沿空留巷的支護方式不會影響基本頂?shù)幕剞D下沉；魏飛等[6]以堅硬頂板條件下沿空留巷為背景，運用理論分析及數(shù)值模擬研究得出充填體寬度，現(xiàn)場應用效果良好。

基于現(xiàn)有沿空留巷技術的研究成果，以新景煤礦3107綜采工作面沿空留巷為研究背景，利用理論分析及數(shù)值模擬相結合的方法，針對中厚煤層沿空留巷充填體的合理寬度進行了深入研究，設計出合理的支護方案，并通過圍巖變形監(jiān)測對技術方案進行現(xiàn)場驗證，為類似工程實踐提供了參考。

1 工程概況

新景煤礦現(xiàn)主采3#煤層，煤層厚度為2.15～2.67 m，平均厚度2.36 m，煤層傾角2°～8°，平均傾角5°。煤層總體賦存穩(wěn)定，結構簡單，一般含1層夾矸。新景煤礦采面上下順槽一直沿用25～30 m的寬煤柱護巷，大量的寬煤柱難以回收，使得煤炭資源損失嚴重。

為了盡量減少遺留煤柱的損失，礦方?jīng)Q定在3107綜采工作面進行沿空留巷試驗。該工作面傾向長度172 m，走向長度1 384 m，埋藏深度為496～671 m。工作面位于3#煤二采區(qū)南翼，東為3105工作面（已采），西為3109工作面（在掘），北隔采區(qū)大巷為3106工作面（未掘）。工作面具體位置如圖1所示，其中，3107工作面第一輔助進風巷為沿空留巷試驗巷道。工作面煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

圖1 3107綜采工作面位置

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

2 巷旁充填體寬度的合理確定

2.1 數(shù)值模擬分析

（1）模型建立

根據(jù)3107工作面實際工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了不同充填體寬度的計算模型，模擬分析不同工況下巷道圍巖的變形情況。

所建模型尺寸長×寬×高=250 m×150 m×40 m；在模型上邊界施加8.9 MPa的垂直均布載荷，以模擬覆巖壓力，模型四周及下邊界采用位移邊界條件約束；模擬單元均遵循摩爾庫倫破壞準則，為使得模擬結果更加精確，對模型沿空留巷區(qū)域的網(wǎng)格進行加密處理。其中，煤巖體物理力學參數(shù)如表2所示。

表2 煤巖體物理力學參數(shù)

（2）模型結果分析

不同充填體寬度下沿空留巷圍巖的變形量如圖2所示。

圖2 圍巖變形量與充填體寬度間的關系

由圖2可知，保持巷內(nèi)其他支護條件不變，充填體寬度從0.5 m增加到2.0 m時，巷道圍巖整體變形量呈減小趨勢，其中，頂?shù)装逡平繙p小了900 mm，兩幫移近量減小了800 mm。圍巖變形量在充填體寬度由0.5 m增大到1.0 m時的減小幅度較大；當充填體寬度由1.0 m增大到1.2 m時，圍巖變形量的減小幅度降低；充填體寬度達到1.2 m后，繼續(xù)增加其寬度，對巷道圍巖變形量的減小已不再明顯。

由以上分析可以初步確定充填體寬度為1.2 m。

2.2 充填體強度驗算

充填體采用C30混凝土柔模澆筑形成，為驗證1.2 m寬度充填墻體強度能否滿足需求，通過分離巖塊對其進行驗證[7]。計算模型如圖3所示。

圖3 分離巖塊法計算模型

根據(jù)分離巖塊法，充填體的載荷可用下式計算：

式中：q為充填體載荷，MPa；bB為充填墻體內(nèi)側至工作面主幫的距離，取4.2 m；x為充填墻體寬度，取1.2 m；bc為充填墻體采空區(qū)側懸頂距離，取0.4 m；γ為頂板分離巖塊容重，取26 kN/m3；h為工作面采高，取2.4 m；α為巖體內(nèi)摩擦角，取26°；θ為煤層傾角，取5°。

由式（1）計算的充填墻體所受載荷為1.3 MPa，取回采動壓系數(shù)為3，則充填墻體所承受的圍巖壓力為5 013 kN/m。而依據(jù)GB50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》可知，1.2 m寬的C30混凝土墻體承載能力為18 481 kN/m，遠高于工作面回采時巷旁充填墻體所承受的載荷。因此，綜合數(shù)值模擬及理論計算結果，并結合經(jīng)濟合理性，最終確定巷旁充填體寬度為1.2 m。

3 沿空留巷圍巖控制技術

3.1 巷內(nèi)支護

用于沿空留巷的巷道為3107工作面輔運順槽，巷道為矩形斷面，凈高2.7 m，凈寬4.5 m，沿煤層頂板掘進。巷道頂板采用φ20 mm×2 400 mm的高強度螺紋鋼錨桿支護，其間排距為780 mm×850 mm，靠近兩幫的錨桿與垂線夾角15°施工，其余錨桿均垂直頂板施工；頂錨索的型號為φ17.8 mm×7 200 mm，間距2 340 mm，排距850 mm，均垂直頂板施工；主、副巷幫采用φ18 mm×1 800 mm的麻花錨桿支護，間排距800 mm×850 mm。具體支護形式如圖4所示。

圖4 支護斷面

3.2 巷旁支護

研究表明，沿空留巷巷旁支護的最佳時機為頂板給定變形結束后[8]，因此，隨著3107工作面的回采推進，在滯后工作面10 m處開始施工充填墻體并進行臨時支護。其中充填墻體的寬度為1.2 m，留巷寬度為4.2 m，高度為2.7 m。充填墻體材料采用C30混凝土，每2 m柔性掛模為一個充填模塊進行澆筑，形成墻體。

為保證回采期間沿空留巷充填墻體的穩(wěn)定性，防止其出現(xiàn)較大的橫向變形，采用“錨栓+鋼筋網(wǎng)+鋼帶”聯(lián)合加強支護，墻體每排預置4個錨栓并用鋼帶連接，間排距為750 mm×1 000 mm。加強支護形式如圖5所示。

圖5 巷旁充填墻體支護結構

4 應用效果分析

4.1 巷道表面位移監(jiān)測

為分析沿空留巷充填體寬度及圍巖控制技術的效果，在留巷段采用十字布點法對圍巖的表面位移進行監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖6所示。

圖6 沿空留巷圍巖變形量監(jiān)測結果

由圖6可知。沿空留巷巷道圍巖的變形大致可分為三個階段：

（1）在滯后工作面0～20 m范圍為第一階段，此時基本頂未發(fā)生破斷，在巷旁充填體及單體支柱的支護下，巷道圍巖的變形速度較小，最大為8 mm/d。

（2）在滯后工作面20～80 m范圍為第二階段，此時基本頂發(fā)生破斷并劇烈回轉下沉，導致巷道圍巖的變形幅度較大。其中，頂?shù)装遄畲笠平繛?80 mm，最大移近速度為24 mm/d；兩幫最大移近量為198 mm，最大移近速度為13 mm/d。

（3）在距工作面80 m以后的范圍為第三階段，此時上覆巖層已形成穩(wěn)定的鉸接結構，圍巖的變形逐漸趨于穩(wěn)定。

綜上分析可知，留巷期間巷道圍巖的變形量較小，滿足工作面正常生產(chǎn)需求。

4.2 巷道表面位移監(jiān)測

在構筑混凝土充填墻體時，在墻體靠近頂、底板處各預埋一根短錨桿，并在上下兩根短錨桿端部掛測繩AB，通過觀測繩AB長度的變化對充填墻體的縱向變形進行分析；在充填墻體中部預埋1跟長水平鋼桿CD，通過觀測該鋼桿的外露長度變化，分析充填墻體的橫向變形。測點布置如圖7所示。

圖7 巷旁充填體變形測點布置

充填墻體的變形觀測結果如圖8所示。

圖8 巷旁充填體變形監(jiān)測結果

由圖8可知，充填墻體在距工作面10 m范圍內(nèi)基本未發(fā)生明顯變形；在距工作面20～60 m范圍，基本頂破斷并回轉下沉，導致充填體變形量逐漸增大，該階段墻體的橫向變形量最大為161 mm，縱向變形量最大為103 mm；在距工作面60～90 m時，充填墻體的變形逐漸趨于穩(wěn)定，當滯后工作面距離達到90 m以上時，充填墻體基本不再發(fā)生明顯變形。由此可知，充填墻體的寬度及現(xiàn)有支護技術能夠滿足沿空留巷的工程要求。

5 結論

1）根據(jù)新景礦3107工作面的工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對沿空留巷不同充填體寬度下的巷道圍巖變形情況進行了分析，并結合理論分析對充填墻體的承載能力進行了驗算，最終確定出合理的充填體寬度為1.2 m。

2）根據(jù)數(shù)值模擬結果結合實際生產(chǎn)條件對沿空留巷的支護方案進行了設計，其中，巷旁充填體采用C30混凝土澆筑形成，并用“錨栓+鋼筋網(wǎng)+鋼帶”聯(lián)合支護的形式進行加強控制。

3）將該技術方案應用于現(xiàn)場，并對應用效果進行監(jiān)測分析，結果表明：留巷期間，巷道圍巖頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為280 mm、198 mm；充填墻體的縱向及橫向變形量最大值分別為103 mm及161 mm，滿足工作面正產(chǎn)生產(chǎn)需求。