王志強(qiáng)，李 航，，李敬凱，王德秋，林 陸，，李永立

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.中俄動(dòng)力學(xué)研究中心，北京 100083；3.北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013)

近年來(lái)，為提高煤炭回采率、減少巷道掘進(jìn)以及降低資源浪費(fèi)，我國(guó)在許多生產(chǎn)地質(zhì)條件適宜的礦井不斷推行沿空留巷開(kāi)采技術(shù)[1]。許興亮等[2]研究了小煤柱留巷時(shí)的覆巖演化，從而提出在煤柱的留設(shè)寬度合理時(shí)，可以達(dá)到變形很小的沿空留巷效果。張磊等[3]分析了充填體與現(xiàn)場(chǎng)工藝結(jié)合、圍巖實(shí)施壓力規(guī)律，認(rèn)為在充填體的支護(hù)下可以達(dá)到承受頂板來(lái)壓的目的。王德超、王衛(wèi)軍等[4，5]研究了在沿空留巷條件下煤柱留設(shè)寬度的計(jì)算公式。李勝、康紅普等[6，7]針對(duì)沿空留巷頂板下沉問(wèn)題，研究了沿空留巷礦壓規(guī)律，提出了頂板控制機(jī)理與留巷支護(hù)技術(shù)。總結(jié)已有研究成果，不同地質(zhì)條件、煤層存賦狀況及技術(shù)裝備水平下，沿空留巷開(kāi)采技術(shù)各有其針對(duì)性[8-10]。柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)在實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采的同時(shí)不僅能顯著提升生產(chǎn)安全系數(shù)，更能高效實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[11，12]。何東升、王俊峰等[13，14]提出用柔?；炷链婷褐鶎?shí)現(xiàn)煤層沿空留巷的效果，證實(shí)了柔?；炷磷鳛槌涮铙w的實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性。郝曉飛和谷麗東等[15，16]研究了柔?；炷猎谘乜樟粝锵碌膽?yīng)力承受范圍及變化特征，表明窄柔模墻體在臨時(shí)支護(hù)與超前及時(shí)支護(hù)的條件下抗壓效果良好。與此同時(shí)，隨著煤炭資源開(kāi)發(fā)往西部礦區(qū)轉(zhuǎn)移，淺埋煤層成為很多礦井的主力開(kāi)采煤層[17]。相較于傳統(tǒng)工作面，淺埋煤層工作面開(kāi)采技術(shù)及礦壓顯現(xiàn)等呈現(xiàn)出顯著差異性[18]。因此淺埋煤層柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)研究與應(yīng)用成為熱點(diǎn)問(wèn)題。本文以五家溝煤礦15301工作面為工程背景，通過(guò)數(shù)值模擬、理論研究與現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)為手段，確定淺埋煤層工作面柔?；炷翂w的合理留設(shè)寬度。研究成果可為相同地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件的礦井提供充分理論及技術(shù)支持。

1 工程概況

五家溝煤礦15301工作面主采5-1號(hào)煤，工作面煤層埋深210m左右，屬于淺埋煤層工作面。工作面平均煤厚10.5m，走向長(zhǎng)度為1408.3m，傾斜長(zhǎng)度為214.5m，采用放頂煤開(kāi)采工藝，直接垮落法處理頂板。

15301工作面東部為三條大巷；南部為未采區(qū)；西部有19m煤柱區(qū)域；北部為15303設(shè)計(jì)工作面(實(shí)體煤)，工作面與巷道布置如圖1所示。煤柱支護(hù)沿空留巷會(huì)造成大量資源損失。為有效解決工作面回采浪費(fèi)問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)柔模支護(hù)墻體寬度進(jìn)行確定，實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采。

圖1 工作面與巷道布置

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

采用FLAC3D軟件進(jìn)行沿空留巷數(shù)值模擬分析，以驗(yàn)證在煤層工作面進(jìn)行沿空留巷設(shè)計(jì)的可靠性，同時(shí)確定柔模墻體的合理留設(shè)寬度。數(shù)值模型建立根據(jù)實(shí)際工程情況而設(shè)定，模型尺寸306m×100m×155m(長(zhǎng)×寬×高)，上邊界為自由邊界，其余邊界均為零位移。根據(jù)煤層埋深施加在模型頂部施加5MPa垂直載荷，煤層層厚10.5m，直接頂厚為4.6m，基本頂厚為29m，直接底及基本底厚為31m，其余上下邊界都按平均巖層來(lái)處理。模型各煤巖層地質(zhì)條件參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖層地質(zhì)條件參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬方案

該方案對(duì)15301工作面受采動(dòng)影響下進(jìn)行數(shù)值模擬：根據(jù)實(shí)際工程情況，原巷道寬為6.0m，高為3m，將其賦予空模型，在工作面推進(jìn)50m時(shí)，分別對(duì)墻體厚度為1.0m、1.2m、1.5m、2.0m進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)工作面開(kāi)挖后分析模擬不同墻體厚度時(shí)的墻體自身應(yīng)力、巷道周邊應(yīng)力及頂?shù)装逦灰魄闆r，得出最適合工況的墻體厚度。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 垂直與水平應(yīng)力分析

隨工作面推進(jìn)，巷內(nèi)澆筑4種厚度墻體時(shí)，對(duì)墻體及巷道在工作面回采動(dòng)壓影響下進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，垂直與水平應(yīng)力模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 應(yīng)力演化云圖

工作面推進(jìn)50m的過(guò)程中，滯后留設(shè)巷旁墻體，通過(guò)留巷巷道的垂直與水平應(yīng)力云圖，當(dāng)柔模墻體厚度為1.0m、1.2m、1.5m、2.0m時(shí)，巷道頂板中部2m范圍為頂板應(yīng)力釋放區(qū)，垂直應(yīng)力分別為3.5MPa、2.6MPa、1.8MPa、1.5MPa，副幫垂直應(yīng)力集中范圍應(yīng)力分別為22MPa、18MPa、20MPa、21MPa，但副幫水平應(yīng)力偏小，在4.0MPa上下波動(dòng)，墻體垂直應(yīng)力分別為7MPa、5MPa、3MPa、4MPa，巷道底板應(yīng)力偏小且變化不明顯。巷道副幫垂直應(yīng)力較大，應(yīng)加強(qiáng)兩幫巷道支護(hù)。

2.3.2 垂直與水平位移分析

隨工作面推進(jìn)，巷內(nèi)澆筑4種厚度墻體時(shí)，對(duì)墻體及巷道在工作面回采動(dòng)壓影響下進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，垂直與水平位移模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 位移演化云圖

工作面推進(jìn)50m的過(guò)程中，滯后留設(shè)巷旁墻體，通過(guò)垂直與水平位移云圖，當(dāng)柔模墻體厚度分別為1.0m、1.2m、1.5m、2.0m時(shí)，巷道頂板下沉量分別為50cm、38cm、23cm、20cm，副幫水平位移量分別為22cm、18cm、20cm、17cm。

對(duì)四種厚度墻體進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬后，通過(guò)云圖及分析數(shù)據(jù)可以得出：隨著墻體厚度增大，巷道頂板應(yīng)力集中范圍明顯減小，頂板下沉量普遍降低。但巷道澆筑2.0m的墻體較1.5m時(shí)，其頂板應(yīng)力與頂板位移下降幅度大大減小。由于1.5m支護(hù)的支撐荷載、頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏恳呀?jīng)滿足要求，雖然留設(shè)2.0m墻體后，巷道下沉量變小，考慮到經(jīng)濟(jì)因素結(jié)合效果來(lái)看，建議選擇1.5m墻體作為留巷巷旁支護(hù)。

3 柔模墻體寬度理論驗(yàn)算

3.1 支護(hù)體載荷計(jì)算

充填墻體支護(hù)的力學(xué)模型如圖4所示，柔模充填體位于工作面煤體高壓與采空區(qū)冒頂中央，冒落矸石的采空區(qū)呈現(xiàn)出關(guān)鍵自由面，巖體會(huì)由于下沉在高度H處出現(xiàn)離層，引起巖體沿實(shí)煤發(fā)生θ角折斷，成為完全自由狀態(tài)，給充填墻體帶來(lái)新的礦壓，對(duì)其進(jìn)行“分離巖塊法”理論計(jì)算以驗(yàn)證充填體合理寬度?！胺蛛x巖塊法”認(rèn)為：①巖塊兩邊的剪切角相同；②將支護(hù)上層頂板位置的巖塊當(dāng)做合力為零的剛體，在巖塊上三力作用線相互平行；③在力作用面上任意點(diǎn)的力矩相加、平衡抵消。

圖4 理論計(jì)算模型

載荷計(jì)算如式(1)所示：

(1)

式中，q為支護(hù)體載荷，MPa；h為有效采高，取3.85m；θ為剪切角，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取26°；bB為支護(hù)體內(nèi)側(cè)到煤壁的距離，取5.0m；x為支護(hù)體的寬度，取1.5m；bC為支護(hù)體外側(cè)懸頂距，取0.3m；γs為巖塊重度，取24kN/m3；α為煤層傾角，取3°。

根據(jù)分離巖塊法的計(jì)算及15301工作面的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算可得支護(hù)厚度為1.5m時(shí)，支護(hù)體上的載荷為q=2.1MPa。最終確定支護(hù)體寬度取1.5m，動(dòng)壓影響系數(shù)取3，故頂板作用在柔?；炷翂w上的圍巖壓力為9450kN/m。

3.2 柔?；炷翂Τ休d力驗(yàn)算

從素混凝土來(lái)看，柔?；炷敛粌H剛性較好，且初期的可伸縮性得到提高。在應(yīng)用監(jiān)測(cè)到的橫向伸縮變形是因?yàn)橹ёo(hù)墻體的縱向達(dá)到抗壓強(qiáng)度以后引起的，充填墻體的應(yīng)力-應(yīng)變變化正是由于墻體所受應(yīng)力大于自身抗壓強(qiáng)度而發(fā)生變形，故引起強(qiáng)化反應(yīng)。支護(hù)墻體的承載力計(jì)算公式如下：

N2=0.9(fc+4σr)Acor

(2)

式中，N2為巷旁支護(hù)的承載能力，kN；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取19.1MPa；σr為錨栓套箍作用產(chǎn)生的有效約束力，MPa；Acor為環(huán)向包裹內(nèi)混凝土面積，取1200m2。

錨栓的約束應(yīng)力計(jì)算公式為：

(3)

式中，d為錨栓直徑，取22mm；σb為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取435MPa；a1，a2為錨栓的間排距，分別取700mm、750mm。

計(jì)算可得錨栓的約束應(yīng)力σr=0.31MPa，柔?；炷翂w的承載能力為N2=21967.2kN/m。綜上計(jì)算，采用“分離巖塊法”理論計(jì)算得到巖塊礦壓為9450kN/m，混凝土墻承載力驗(yàn)算得到墻體的承載能力為21967.2kN/m，大于留巷的最大載荷9450kN/m(安全系數(shù)為2.3)，最終確定柔模充填墻體寬度為1.5m，驗(yàn)證了數(shù)值模擬研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 巷旁墻體參數(shù)

根據(jù)15301工作面的地質(zhì)與開(kāi)采條件，沿空留巷墻體參數(shù)設(shè)置為：沿空留巷墻體澆筑于巷內(nèi)，巷道底板掏槽深200mm并清底到實(shí)底，柔模墻體的合理寬度是1.5m。在充填體上裝有錨栓，使得柔模支護(hù)不易發(fā)生水平變形，有效控制墻體位移。錨栓規(guī)格為?22mm×1100mm等強(qiáng)錨桿，托板采用200mm×200mm×16mm鋼板，打圓角半徑為50mm。巷旁墻體支護(hù)如圖5所示。

圖5 巷旁墻體支護(hù)(mm)

4 工程應(yīng)用

4.1 柔?；炷林苽漭斔蜋C(jī)組

柔模混凝土輸送方式由兩方面構(gòu)成：一是在地面干料制備站對(duì)水泥、砂子、石子等干組成材料進(jìn)行配比；二是通過(guò)巷道在井下運(yùn)輸至井下制備站進(jìn)行濕料攪拌，生產(chǎn)能力50m3/h。井下濕料制備輸送站總長(zhǎng)30m，寬度1.7m，高度2.2m，總功率220kW，最大出口壓力16MPa，最遠(yuǎn)輸送距離600m。

4.2 施工過(guò)程及留巷效果

在超前與滯后支護(hù)完成后，進(jìn)行移架并支護(hù)澆筑空間，通過(guò)單體液壓支柱掛設(shè)柔模模板。經(jīng)地面干料運(yùn)輸至井下進(jìn)行配比濕料后泵注混凝土，之后對(duì)柔模充填墻體進(jìn)行留巷監(jiān)測(cè)，支護(hù)穩(wěn)定以后滯后段開(kāi)始回柱，隨即進(jìn)入下個(gè)循環(huán)。

4.3 沿空留巷礦井系統(tǒng)技術(shù)

4.3.1 Y型通風(fēng)技術(shù)

沿空留巷Y型通風(fēng)巷道布置如圖6所示，通過(guò)柔模支護(hù)技術(shù)進(jìn)行沿空留巷，形成的三條巷道都用于通風(fēng)系統(tǒng)，從兩巷U型變?yōu)閮蛇M(jìn)一回“Y型”通風(fēng)方式，相鄰工作面切眼和巷道提前成巷，且已為回采工作面通風(fēng)系統(tǒng)服務(wù)，從兩條運(yùn)輸平巷進(jìn)風(fēng)，污風(fēng)從實(shí)體煤側(cè)回風(fēng)巷排出。

圖6 沿空留巷Y型通風(fēng)巷道布置

4.3.2 沿空留巷埋管抽采技術(shù)

保持原本煤層預(yù)抽等抽采措施不變。留巷過(guò)程中，在墻體上預(yù)埋管，進(jìn)行低負(fù)壓大流量抽采，對(duì)回采線后30m周?chē)牟煽諈^(qū)瓦斯氣體進(jìn)行抽采，保證隅角瓦斯不超限，滯后30m以后采用混凝土充填預(yù)埋管。墻體預(yù)埋管直徑為?219mm，壁厚不小于5mm。預(yù)埋管采空區(qū)側(cè)設(shè)置鋼筋網(wǎng)隔柵，留巷側(cè)設(shè)置法蘭，內(nèi)外表面噴涂防火漆，埋管間距3～6m。

4.3.3 埋管排水技術(shù)

由于煤礦的地質(zhì)條件，存在頂板淋水的問(wèn)題，故確保埋管排水技術(shù)的高效應(yīng)用成為預(yù)防水害的關(guān)鍵。沿空留巷以后，通過(guò)墻體預(yù)埋管將采空區(qū)積水通過(guò)管道有序排走，保障受承壓水等影響工作面開(kāi)采安全。

4.4 經(jīng)濟(jì)效益

窄柔?；炷料锱灾ёo(hù)實(shí)現(xiàn)沿空留巷，有利于提高煤炭采出率、增強(qiáng)巷道支護(hù)穩(wěn)定性、促進(jìn)采掘關(guān)系及提升礦井服務(wù)年限，整體提高礦井安全性與經(jīng)濟(jì)性。按煤礦15301工作面留巷長(zhǎng)度1400m計(jì)算，沿空留巷直接費(fèi)用6212元/m，新掘進(jìn)工作面巷道費(fèi)用平均3500元/m，增加成本380萬(wàn)元；回收沿空留巷煤柱按10m計(jì)算，可回收煤炭資源17.5萬(wàn)t，煤炭效益230元/t，可創(chuàng)收4025萬(wàn)元。綜上，柔模支護(hù)沿空留巷技術(shù)前期需要購(gòu)置設(shè)備設(shè)施，投資約602萬(wàn)元，可產(chǎn)生效益約3043萬(wàn)元，為礦井帶來(lái)很大收益。

5 結(jié) 論

1)結(jié)合煤礦地質(zhì)與工作面現(xiàn)場(chǎng)條件，在采動(dòng)影響下分別對(duì)厚度為1.0m、1.2m、1.5m、2.0m的柔模墻體進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬。通過(guò)云圖及分析數(shù)據(jù)結(jié)果得到：柔模墻體寬度大于1.5m時(shí)，墻體及圍巖應(yīng)力集中情況、巷道圍巖變形量趨于穩(wěn)定，且巷道圍巖穩(wěn)定性較好，綜合考慮經(jīng)濟(jì)安全效益，建議選用1.5m墻體作為15301工作面運(yùn)輸巷留巷墻體厚度。

2)根據(jù)充填墻體支護(hù)的力學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行“分離巖塊法”理論計(jì)算來(lái)對(duì)模擬結(jié)果為1.5m的柔模墻寬度進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)計(jì)算巖塊礦壓為9450kN/m，由柔模墻承載力驗(yàn)算得每延米柔模墻的承載能力為21967.2kN/m，故安全系數(shù)為2.3，穩(wěn)定可靠。

3)結(jié)合礦井系統(tǒng)新技術(shù)，五家溝煤礦15301工作面的現(xiàn)場(chǎng)工藝與留巷效果表明，寬度為1.5m的柔?；炷翂w巷旁支護(hù)沿空留巷效果顯著，整體提高礦井的安全性。經(jīng)費(fèi)用計(jì)算得，柔模支護(hù)沿空留巷技術(shù)可創(chuàng)收約3043萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，具有良好的推廣應(yīng)用前景。