李家卓，劉 杰，譚文峰，韓 偉

（1.山東科技大學(xué)，山東青島 266510;2.山東省滕州郭莊礦業(yè)有限責(zé)任公司錦丘煤礦，山東滕州 277500; 3.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東巨野 274918）

薄煤層沿空留巷巷旁充填體寬度模擬分析

李家卓1，劉 杰2，譚文峰3，韓 偉2

（1.山東科技大學(xué)，山東青島 266510;2.山東省滕州郭莊礦業(yè)有限責(zé)任公司錦丘煤礦，山東滕州 277500; 3.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東巨野 274918）

針對(duì)目前薄煤層沿空留巷特點(diǎn)，結(jié)合某礦具體條件，研究了一套包括膏體材料組分及配比、充填工藝、巷旁支護(hù)、巷內(nèi)支護(hù)在內(nèi)的一整套薄煤層沿空留巷技術(shù)，并運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)巷旁充填體寬度進(jìn)行了進(jìn)一步研究，在該礦取得了較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。研究結(jié)論對(duì)于類似條件下的薄煤層開(kāi)采具有一定的參考價(jià)值。

薄煤層;沿空留巷;充填工藝;聯(lián)合支護(hù);充填體寬度

沿空留巷就是在工作面后方沿采空區(qū)邊界維護(hù)住已經(jīng)使用過(guò)的回采巷道為下一區(qū)段煤層開(kāi)采服務(wù)，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為煤礦開(kāi)采技術(shù)的一項(xiàng)重大改革。沿空留巷技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)Y型通風(fēng)方式、解決工作面瓦斯超限問(wèn)題，還能具有合理開(kāi)發(fā)煤炭資源、提高煤炭資源采出率、減少巷道掘進(jìn)量、緩解采掘接替矛盾、防止孤島工作面產(chǎn)生、縮短搬家時(shí)間、防止發(fā)火等優(yōu)勢(shì)，對(duì)改善礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益、增強(qiáng)礦井安全生產(chǎn)極為有利［1］。但沿空留巷的穩(wěn)定性原理及其控制技術(shù)還不成熟，具有普遍適用性的規(guī)律有待于進(jìn)一步探索，同時(shí)沿空留巷又存在頂板活動(dòng)劇烈、頂板下沉量大、采空區(qū)有害氣體和積水易涌入巷道等問(wèn)題。本文在研究留巷支護(hù)技術(shù)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，提出了膏體材料巷旁充填沿空留巷新技術(shù)，可有效解決以上留巷的不足。

1 工作面概況

工作面開(kāi)采標(biāo)高為－385.5～－400.7m，走向和傾向長(zhǎng)度分別為882m和150m，面積132300m2，平均采高0.85m。直接頂為灰黑色泥巖至泥質(zhì)粉砂巖，厚度0.94～5.5m?；卷敒榛遥野咨?xì)砂巖，局部為中粒砂巖，厚3.0～7.0m，堅(jiān)固性系數(shù)f=5～6。直接底為深灰色粉砂巖，厚度為1.2～1.6m，堅(jiān)固性系數(shù)f=3.0。老底為淺灰－灰色細(xì)砂巖，厚度為4.8m，f=5～6.0。

該工作面采用單一走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化開(kāi)采方法，割煤高度控制在1.2±0.2m，循環(huán)進(jìn)尺0.6m。該工作面存在上隅角瓦斯積聚、工作面瓦斯含量超標(biāo)、采掘接替緊張、煤炭采出率低等問(wèn)題，嚴(yán)重影響礦井生產(chǎn)，為此，需要進(jìn)行巷旁充填沿空留巷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦井安全高效高采出率生產(chǎn)。

2 1705東軌道巷留巷方案

（1）為保持工作面留巷充填段頂板的完整性，減小懸臂頂板對(duì)充填體的壓力，在工作面上端頭超前主動(dòng)支護(hù)，超前煤壁5m提前開(kāi)幫，寬度為1.6m。采用錨桿、錨索、鋼帶及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿采用φ18mm×1800mm的螺紋錨桿，錨索采用φ17.8mm×6500mm預(yù)應(yīng)力錨索，呈三角布置，排距3m，托盤(pán)為工字鋼托盤(pán)，托盤(pán)長(zhǎng)度800mm，鋼帶為可回收鋼帶，金屬網(wǎng)為菱形網(wǎng)，規(guī)格為1600mm×1600mm［2］。

（2）采用沈陽(yáng)天安機(jī)械廠制造的充填支架充填，1號(hào)、3號(hào)支架當(dāng)模板，2號(hào)支架當(dāng)擋板，3個(gè)支架形成充填模板。

3 巷內(nèi)支護(hù)

巷道頂板需要加強(qiáng)支護(hù)［3－5］，選用φ20mm× 2000mm高強(qiáng)度錨桿，間排距0.8m×0.8m;幫錨桿選用 φ18mm×1800mm錨桿，間排距0.8m× 0.8m;錨索選用拉力不低于200kN的φ17.8mm× 6500mm錨索，排距 2.4m，距離巷道左右?guī)透?.8m;金屬網(wǎng)采用10號(hào)鐵絲編制成菱形網(wǎng)或方格網(wǎng);鋼帶使用普通新W型鋼帶或回收鋼帶。

支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 留巷支護(hù)斷面

4 巷旁支護(hù)

4.1 充填材料與設(shè)備

常用充填材料可分為3大類:惰性材料、膠凝材料和改性材料。巷旁充填體的組成成份為水和充填材料［1］。綜合考慮本礦情況選擇水泥作為膠凝材料，粉煤灰作為有膠凝性能的活性混合材料，矸石粉、砂子、瓜子石作為惰性材料，并加入了其他改性材料，按照表1配比制成巷旁充填材料。

表1 充填材料配比

工作面采用德國(guó)BSM1002E新型充填泵充填。在1705東運(yùn)巷布置一充填泵對(duì)1705東上巷進(jìn)行充填;另在1705東軌道巷安設(shè)一充填泵對(duì)1705東下巷進(jìn)行充填。

4.2 充填工藝

巷旁充填系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 巷旁充填系統(tǒng)

（1）沿空留巷工藝流程 充填段超前開(kāi)缺口→錨網(wǎng)帶支護(hù)、金屬鉸接頂梁支護(hù)→ 工作面正常割煤、移架→堆砌矸石墻，支設(shè)模板、充填 （達(dá)到充填步距2.4m時(shí)）。

（2）充填工藝流程 架棚清理→支模→攪拌輸送→充填清洗→拆模

5 充填體寬度數(shù)值模擬

5.1 模型建立

計(jì)算模型坐標(biāo)系，以垂直煤層回采方向?yàn)閤方向;平行煤層回采推進(jìn)方向?yàn)閥方向，推進(jìn)方向?yàn)檎?以鉛直方向?yàn)閦方向，向上為正，坐標(biāo)系方向規(guī)定符合右手法則。

根據(jù)這一坐標(biāo)系規(guī)定，計(jì)算模型沿x軸方向的長(zhǎng)度約為105m，上區(qū)段工作面部分約75m，下區(qū)段工作面部分約30m;y方向的長(zhǎng)度約為180m，沿z軸方向的高度為55m。煤巖層近似看作水平，煤層平均厚度取 1.3m，開(kāi)采煤層平均埋深為400m。

模型的邊界條件設(shè)置為:在模型的四個(gè)側(cè)面采用法向約束，頂面為應(yīng)力和位移自由邊界，施加垂直應(yīng)力;底面為x，y，z全約束。建立模型 （x－z平面），如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型（x－z平面）

單元總數(shù)為54000個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為58497個(gè)。整個(gè)模型如圖4所示。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算用煤巖層物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)本礦煤、巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果，充填體參數(shù)來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室力學(xué)試驗(yàn)，參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 煤巖層力學(xué)參數(shù)

5.2 模擬方案與結(jié)果分析

模擬方案為:Ⅰ巷旁充填體寬度1m;Ⅱ巷旁充填體寬度1.5m;Ⅲ巷旁充填體寬度2m。

（1）巷道兩幫水平位移 巷道兩幫水平位移曲線如圖5～7所示。

圖5 巷道兩幫水平位移（方案Ⅰ）

方案Ⅰ 煤體水平變形超過(guò)180mm，充填體水平變形超過(guò)100mm;煤體和充填體已經(jīng)被壓壞，產(chǎn)生塑性流動(dòng)，所以在工作面推過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)約35m后，兩幫變形持續(xù)增大。

方案Ⅱ 兩幫移近量較小，并且工作面推過(guò)75m左右，兩幫變形趨于穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)生持續(xù)應(yīng)變的塑性流動(dòng)狀態(tài)。

方案Ⅲ 兩幫水平位移的規(guī)律同方案Ⅱ中的基本一致，不同之處在于，方案Ⅲ的水平位移量較之方案Ⅱ更小，對(duì)圍巖的控制效果更好，但總體來(lái)說(shuō)，二者相差不大。

（2）巷道頂?shù)装逡平?將方案Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ中巷道中部頂?shù)装逦灰魄闆r作對(duì)比，如圖8，圖9。

圖6 巷道兩幫水平位移（方案Ⅱ）

圖7 巷道兩幫水平位移（方案Ⅲ）

圖8 巷道中部頂板垂直位移

圖9 巷道中部底板垂直位移

從圖8中的曲線可以看出，頂板下沉方案Ⅰ最大，方案Ⅱ其次，方案Ⅲ最小，隨著充填體寬度的增加，巷道的頂板沉降量會(huì)減小;從充填體與煤體變形協(xié)調(diào)方面來(lái)講，方案Ⅰ最差，方案Ⅱ，Ⅲ相差不大。由圖9可知，3個(gè)方案中煤體側(cè)底板最大垂直位移量以方案Ⅲ最小、方案Ⅱ居中、方案Ⅰ最大，其中方案Ⅱ，Ⅲ的底板垂直位移量相差不大，均為90～100mm，方案Ⅰ的底板垂直位移量為62mm左右。頂?shù)装逦灰谱兓瘉?lái)分析，方案Ⅰ中的充填體遭到破壞，方案Ⅲ比方案Ⅱ的頂板控制效果要好，但方案Ⅱ和Ⅲ均能滿足安全生產(chǎn)要求。

7 結(jié)論

（1）工作面運(yùn)輸巷在巷旁充填支護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新，提出了提前開(kāi)幫固頂技術(shù)和附加矸石帶與膏體充填體組成不等強(qiáng)度巷旁支護(hù)體支護(hù)技術(shù)，應(yīng)用效果良好，實(shí)現(xiàn)了Y型通風(fēng)，解決了本工作面瓦斯超限問(wèn)題，工作面采出率將達(dá)到97%，多回收煤柱33737t，綜合經(jīng)濟(jì)效益提高1757.3萬(wàn)元。

（2）應(yīng)用研發(fā)的膏體膠結(jié)充填材料進(jìn)行巷旁充填結(jié)合巷旁錨網(wǎng)索+鋼帶和巷內(nèi)錨桿、錨索、鋼帶的聯(lián)合支護(hù)，成功實(shí)現(xiàn)了薄煤層綜采工作面沿空留巷。

（3）經(jīng)數(shù)值模擬研究得出工作面運(yùn)輸巷合理的巷旁充填體寬度為1.5m。

［1］郭育光，柏建彪，侯朝炯.沿空留巷巷旁充填體主要參數(shù)研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992，21（4）:1－11.

［2］華心祝，馬俊楓，許庭教.錨桿支護(hù)巷道巷旁錨索加強(qiáng)支護(hù)沿空留巷圍巖控制機(jī)理研究及應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（12）:2107－2112.

［3］宋振騏.實(shí)用礦山壓力控制［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

［4］黃玉誠(chéng)，孫恒虎.沿空留巷護(hù)巷帶參數(shù)的設(shè)計(jì)方法［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1997，22（2）:127－131.

［5］康紅普，王金華，等.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

Simulation of Roadway-side Stow ing Body'sWidth in Retaining Roadway along Gob in Thin Coal-seam

LIJia-zhuo1，LIU Jie2，TANWen-feng3，HANWei2

（1.Shandong University of Science＆Technology，Qingdao 266510，China;2.Jingqiu Colliery，Guozhuang Mining Co.，Ltd，Tengzhou City of Shandong Province，Tengzhou 277500，China; 3.Shandong Xinjulong Energy Co.，Ltd，Juye 274918，China）

Based on condition of amine，a whole set of technology of retaining roadway along gob including pastematerial component，proportioning，stowing technique，roadway and roadway-side supporting was developed.Numerical simulation was applied to obtaining width of stowing body.This technology made good economical and technical effect.Resultsmight provide reference for thin coal-seam mining with similar condition.

thin coal-seam;retaining roadway along gob;stowing technique;combined supporting;width of stowing body

TD353.7

A

1006-6225（2011）04-0058-03

2011－03－14

山東科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目 （YCA100304）

李家卓 （1986－），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究。

［責(zé)任編輯:鄒正立］