曹王建

【摘 要】 為確定沿空留巷巷旁充填體的合理寬度，本文以山西某礦N2105工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對(duì)沿空留巷巷旁充填體承載機(jī)理進(jìn)行了分析，確定充填體采用水灰比為1.5∶1的高水材料。通過數(shù)值模擬的方法，對(duì)5種充填體寬度下圍巖應(yīng)力與變形情況進(jìn)行了分析，最終確定N2105工作面沿空留巷充填體寬度為1.5m。

【關(guān)鍵詞】 綜采工作面;沿空留巷;充填體;合理寬度

【中圖分類號(hào)】 TD353 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2019）04-0006-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

隨著煤炭資源的逐漸減少，許多礦井均面臨著煤炭資源枯竭的問題，為延續(xù)礦井生命，提高煤炭資源的回收率，沿空留巷開采技術(shù)開始在許多礦井進(jìn)行普及。沿空留巷開采技術(shù)具有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，其可以減少煤礦巷道掘進(jìn)工程量，解決工作面采掘接替緊張，實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)，并且有效提高礦井資源回收率。目前沿空留巷多采用充填材料作為巷旁支護(hù)體，但由于礦井煤層周圍條件的差異性，充填體的寬度選擇有很大區(qū)別。為確定合理的充填體寬度，本文以山西某礦大采高綜采工作面沿空留巷條件為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)充填體的合理寬度進(jìn)行了研究，研究結(jié)果可為相似條件工作面提供一定的借鑒。

1工程背景

山西某礦N2105開采煤層為3號(hào)煤，煤層厚度平均為6.3m，煤層傾角較小，平均為1.5°，煤層埋深在550～600m范圍內(nèi)。為提高工作面煤炭資源的回收率，N2105工作面采用沿空留巷開采技術(shù)，N2105工作面軌道巷為工作面所留巷道，巷道寬度為4.5m，采用充填體作為巷旁支護(hù)體。工作面巷道分布情況如圖1所示。

2巷旁支護(hù)體作用機(jī)理分析

工作面在推進(jìn)過程中，巷旁支護(hù)體在其后側(cè)逐段地進(jìn)行布置，因此巷旁支護(hù)體對(duì)巷道采空區(qū)一側(cè)的頂板有著重要的支撐作用。其作用機(jī)理主要為：

（1）在充填體留設(shè)初期，由于其具有著較高的支撐能力，一方面充填體可維持巷道內(nèi)頂板的穩(wěn)定，對(duì)頂板巖層進(jìn)行支撐，另一方面充填體對(duì)頂板的作用力可切斷采空區(qū)頂板與巷道頂板之間的聯(lián)系，起到一定的切頂作用。

（2）在沿空留巷中期，頂板下沉?xí)a(chǎn)生較大的載荷，由于充填體具有一定的塑性能力，充填體在出現(xiàn)塑性變形后，可將頂板對(duì)充填體的載荷轉(zhuǎn)移至采空區(qū)內(nèi)冒落的矸石上，從而減輕頂板載荷對(duì)巷道內(nèi)支護(hù)體的破壞作用。

為實(shí)現(xiàn)上述兩種作用效果，充填體必須有著較高的強(qiáng)度，基于此情況，結(jié)合N2105工作面巷道的條件，本次巷旁充填體選擇高水充填材料，充填時(shí)水與材料的比例設(shè)計(jì)為1.5∶1。高水材料相比較于過去使用的水泥，其有著較多的優(yōu)點(diǎn)。高水材料充填體在初期具有著較快的凝固速度，其強(qiáng)度可通過配比進(jìn)行調(diào)節(jié)，此外高水材料充填體有著較好的塑性變形能力，即使在出現(xiàn)較大的塑性變形后，充填體的殘余強(qiáng)度依舊較高，因此高水材料充填體能夠滿足N2105工作面沿空留巷的要求。

3巷旁充填體合理寬度數(shù)值模擬

3.1模型建立

為確定合理的充填體寬度，本節(jié)以N2105工作面及周圍巷道的地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，分析巷旁充填體在不同寬度下的應(yīng)力與變形情況。

根據(jù)N2105工作面地質(zhì)條件，進(jìn)行數(shù)值模擬的模型煤層底板厚度為33m，煤層厚6.3m，頂板厚度50m，因此模型高度為89.3m。N2105工作面的長(zhǎng)度取一半為80m，在工作面旁為充填體，充填體寬度共設(shè)計(jì)5個(gè)方案，分別為1.0m、1.2m、1.5m、1.8m、2.0m，在充填體旁為軌道巷，巷道的寬度為5m，高度為3.2m，沿煤層底板掘進(jìn)，巷道另一側(cè)邊界取為80m，可得模型的長(zhǎng)度分別為161.0m、161.2m、161.5m、161.8m、162m，工作面的推進(jìn)長(zhǎng)度設(shè)為100m，因此模型厚度為100m，數(shù)值模型如圖3所示。模型的底面與四周均設(shè)為固定邊界，頂面設(shè)為應(yīng)力邊界。

數(shù)值模型建立完畢后，首先開挖工作面軌道巷，然后再開挖工作面，工作面每次推進(jìn)距離為5m，在工作面推進(jìn)后加入充填體，充填體滯后工作面5m。

3.2模擬結(jié)果分析

（1）充填體承載應(yīng)力分析

圖3為5種不同充填體寬度下巷道周圍巖體的應(yīng)力分布圖。隨著充填體寬度的增加，充填體承受的應(yīng)力峰值在不斷地增大，但增大幅度隨著充填體寬度的增大在逐漸減小。當(dāng)充填體寬度為1.2m時(shí)，應(yīng)力峰值是1.0m的1.84倍;充填體寬度為1.5m時(shí)，應(yīng)力峰值是1.2m的1.51倍;充填體寬度為1.8m時(shí)，應(yīng)力峰值是1.5m的1.10倍;充填體寬度為2.0m時(shí)，應(yīng)力峰值是1.8m的1.06倍。從上述充填體承載應(yīng)力情況說可以看出，1.5m的充填體寬度是其承載應(yīng)力的過渡值，因此采用1.5m的充填體寬度一方面可為頂板提供足夠的支撐力，一方面可節(jié)省一定的經(jīng)濟(jì)成本。

（2）充填體變形量分析

圖4為工作面推進(jìn)過程中，巷道頂?shù)装迮c兩幫在不同充填體寬度下的變形情況。從圖中可以看出，不同充填體寬度下，巷道圍巖變形的差異主要表現(xiàn)在頂板以及充填體兩方面，其中頂板下沉量隨著充填體寬度的增大逐漸減小，但當(dāng)充填體的寬度大于1.5m后，變形逐漸穩(wěn)定;充填體的變形量同樣在寬度大于1.5m后開始穩(wěn)定。該結(jié)果表明，當(dāng)充填體的寬度大于1.5m，其對(duì)巷道圍巖的控制效果逐漸趨于一致，因此充填體寬度為1.5m時(shí)較為合適。

綜合上述數(shù)值模擬中充填體在不同寬度下承受應(yīng)力以及圍巖變形情況，1.5m的充填體既可以提供較高的支撐力，又能夠減少巷道圍巖的變形，因此最終確定N2105工作面沿空留巷充填體寬度為1.5m。

4結(jié)論

本文以山西某礦N2105工作面沿空留巷地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，采用理論分析與數(shù)值模擬的方法，對(duì)巷旁充填體對(duì)頂板的作用機(jī)理以及合理寬度進(jìn)行了研究，確定工作面沿空留巷巷旁充填體采用水灰比為1.5∶1的高水材料，材料與水比例為1∶1.5。通過對(duì)比5種充填體寬度下巷道圍巖應(yīng)力與變形情況，得到當(dāng)充填體寬度為1.5m時(shí)，其既可以提供較高的支撐力，又能夠減少巷道圍巖的變形，因此最終確定N2105工作面沿空留巷充填體寬度為1.5m。

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