魏 飛

（山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037104）

無煤柱開采技術(shù)在被推廣以來往往作為最優(yōu)方案進行應(yīng)用，它解決了窄煤柱護巷過程中巷道維護困難、安全威脅大、維護成本高等問題；同時寬煤柱護巷過程中煤炭資源損失浪費的問題也得到了極大改善。無煤柱開采主要包括沿空留巷與沿空掘巷兩種技術(shù)，而沿空留巷又因其資源回收率高，通風(fēng)效果良好等優(yōu)點更是被廣泛接受。但在應(yīng)用過程中巷旁支護系統(tǒng)的選擇又成為一個新的課題。煤炭科技工作者就此開展了大量的科研工作，尤其是在巷旁支護體材料的選擇上收獲了豐碩成果。梁登勇、任智敏等[1-2]選擇利用混凝土隔墻作為高強度的巷旁支護，這種支護系統(tǒng)支護強度高，能夠最大程度地控制巷道變形，降低了巷道的維護費用。但因其成本較高，加之工序較為復(fù)雜，且早期強度低等缺點而被逐步淘汰。隨著膏體充填技術(shù)的不斷成熟，充填膏體巷旁支護技術(shù)成為當前沿空留巷支護系統(tǒng)的首選方式，專家學(xué)者也就此進行了大量工程實踐及科學(xué)研究。柏建彪等[3]通過對沿空留巷充填體運用力學(xué)分析建立了充填體力學(xué)模型，得到在不同條件下巷道的支護體支護阻力及合理留設(shè)寬度。王曉虎等[4]利用關(guān)鍵層理論，對影響巷旁充填體穩(wěn)定性的關(guān)鍵塊進行了理論計算，并建立了力學(xué)模型，探究了充填體的合理寬度。陳勇、張東升等[5-6]綜合運用理論分析、數(shù)值模擬、相似材料模擬及現(xiàn)場工程試驗，對充填體與圍巖相互作用進行了深入研究，得到了充填體力學(xué)響應(yīng)機制與變形特征并對充填體的寬度進行了優(yōu)化設(shè)計。謝文兵等[7]研究分析了不同寬高比條件下巷旁充填體支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提出充填體的寬高比在0.8 時能夠發(fā)揮最大的支護效果。張鎮(zhèn)[8]則通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗對深部條件下巷旁支護體寬度進行了深入探究，認為深部條件下充填體的寬高比應(yīng)不小于1。在沿空留巷充填支護體的設(shè)計方面盡管已經(jīng)卓有成效，但對其寬度的計算研究較少，特別是對煤層堅硬頂板條件下，常規(guī)方法計算確定的充填支護系統(tǒng)難以有效維護。因此，煤層堅硬頂板條件下充填支護體寬度的合理設(shè)計研究對于礦井安全高效生產(chǎn)而言也就迫在眉睫。本文以山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司4102 綜放工作面為工程背景，綜合運用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對堅硬頂板條件下充填體合理寬度優(yōu)化設(shè)計進行研究，以保證礦井生產(chǎn)的正常進行，也能為條件相似礦井提供技術(shù)參考。

1 工程地質(zhì)概況

4102 綜放工作面地面標高+1376.2～+1408 m，井下標高+1120～+1140 m，平均埋深256 m，工作面走向長1195.5～1214.1 m，平均長1204.8 m，傾向長148.5 m，平均煤厚為5.38 m，傾角1°～4°，平均3°，為近水平煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單。直接頂為厚15.37 m 的中、細砂巖，普氏系數(shù)為8，老頂為厚12.28 m 的粗、中砂巖，普氏系數(shù)為7.7，屬堅硬頂板，直接底為泥巖，厚1.3 m。該工作面巷道支護形式為錨桿、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護,在工作面回采前對留巷預(yù)先進行加固。巷旁充填體材料為高強度膏體充填材料，并在充填體兩側(cè)布設(shè)鋼筋進行加固處理。

2 巷旁充填體合理寬度力學(xué)計算

隨工作面開采，堅硬頂板巖層狀態(tài)不斷發(fā)生變化，巷旁充填體支護阻力隨頂板巖層狀態(tài)變化不斷變化，因此在進行支護體寬度設(shè)計時需充分考慮頂板應(yīng)力狀態(tài)，分別從支護初期及支護后期兩個時段對充填體寬度進行力學(xué)計算。

（1）支護初期

在沿空留巷初期，基本頂由于下位巖體能夠提供有效支撐尚未發(fā)生破斷，充填支護體僅 支承附近破斷直接頂，見圖1。此時巷旁充填體受力情況見圖2，其受力計算見式（1）。

圖1 支護初期充填體承載

圖2 支護初期充填體力學(xué)模型

式中：Pz1為充填體支護阻力，MPa；χ0為實體煤支撐段，一般取巷道寬度4 倍，m；c 為巷道寬度，m；m 為煤層厚度，m；n 為采高倍數(shù)；γ0為直接頂巖石容重；α1為充填體寬度，m。

因此，在留巷初期為充填體能夠穩(wěn)定發(fā)揮支護效果，充填體的受力應(yīng)滿足式（2）

式中：σ1為充填體初期強度。

由式（2）可得留巷初期巷旁充填體寬度應(yīng)滿足式（3）所示條件。

（2）支護后期

當控頂范圍達到一定程度，基本頂發(fā)生破斷，此時充填體外側(cè)支撐阻力增大，此時充填體承載見圖3，受力簡圖見圖4。此時支護阻力可用式（4）進行求解。

圖3 支護后期充填體承載

圖4 支護后期充填體力學(xué)模型

式中：Pq為切頂阻力，MPa；h 為直 接頂厚度，m；Nc為空區(qū)側(cè)剪應(yīng)力，MPa；t0為回轉(zhuǎn)時間，h；δy 為煤體支護阻力，MPa；Tc 為沿巖層方向的推力，kN；ΔSB為基本頂跨落前懸臂梁前端下沉量，m；q0為直接頂單位長度自重；a2為充填體寬度，m。

因此，在支護后期的充填體受力應(yīng)滿足式（5）。

式中：σ2為充填體最終強度。由式（5）可得留巷初期巷旁充填體寬度應(yīng)滿足式（6）條件。

將工作面與充填體相關(guān)參量帶入到式（3）、（6）對支護體寬度進行計算，計算求得4102 綜放工作面巷旁充填體寬度范圍為1.8～4.15 m。

3 巷旁充填體合理寬度確定

通過力學(xué)計算初步得到了充填體的合理寬度范圍，為進一步確定巷旁充填體的合理寬度，運用FLAC3D模擬軟件對不同充填體寬度條件下的應(yīng)力分布特征及變形情況進行深入研究分析，以期確定充填體的最優(yōu)寬度。

3.1 數(shù)值模型的建立

基于FLAC3D建模原理，根據(jù)所選區(qū)域采礦地質(zhì)條件，建立如圖5所示的數(shù)值模型，模型幾何尺寸為400 m（長）×1300 m（寬）×300 m（高），模擬地層主要參數(shù)為：煤層厚5.38 m，埋深256 m。根據(jù)計算分析的需要，同時考慮計算效率，對巖層厚度及性質(zhì)進行了適當?shù)暮喕哼x取的巖層傾角較小，因此在進行建模分析時，巖層按照水平布置；在網(wǎng)格進行劃分時采取了非均勻劃分，在煤層及其頂?shù)装甯浇W(wǎng)格劃分較為密集，遠離煤層的巖層網(wǎng)格劃分較為稀疏。模型建立后，模型頂部為自由面，在水平方向的四個邊界施加水平方向的位移約束，并限制底部垂直方向位移。充填體寬度根據(jù)力學(xué)計算結(jié)果分別取2 m、3 m、4 m。

圖5 數(shù)值模型

本次數(shù)值模擬采用模型為庫倫—摩爾模型。模擬過程中模型各層位巖石的力學(xué)參數(shù)來自現(xiàn)場試樣進行室內(nèi)力學(xué)試驗后獲得的參數(shù)，主要包括密度、體積模量、剪切模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強度等，具體取值見表1。

表1 各巖層巖性參數(shù)

3.2 巷旁充填體合理寬度的確定

（1）不同寬度條件下充填體變形情況

圖6為不同寬度條件下支護體變形情況?？梢钥闯?，當充填體寬度為2 m 時變形最大，3 m 時次之，4 m 時最小。并通過對充填體水平及垂直位移云圖見圖7、圖8，發(fā)現(xiàn)充填體寬度為2 m、3 m、4 m 時，其最大水平位移分別為1.20 m、0.67 m、0.26 m，垂直位移為分別為1.34 m、0.73 m、0.19 m，由此可知，隨寬度的增加充填體支承能力提高，水平、垂直變形逐漸減小，在合理寬度范圍內(nèi)4 m的支護體寬度對于巷道維護最有利。

圖6 不同寬度條件下支護體變形情況

圖7 不同寬度條件下支護體x 向水平位移云圖

圖8 不同寬度條件下支護體垂直位移云圖

（2）不同寬度條件下充填體應(yīng)力分布特征

通過提取充填體不同時段的垂直應(yīng)力曲線，見圖9，發(fā)現(xiàn)寬度為2 m 時在支護初期充填體垂直應(yīng)力為1.5 MPa，隨時間推移，垂直應(yīng)力出現(xiàn)先升高后下降的現(xiàn)象，當最終垂直應(yīng)力穩(wěn)定在1.0 MPa時，基本不再發(fā)生變化；寬度為3 m、4 m 的曲線與其相類似，但在承載過程中出現(xiàn)了兩次升高，最終垂直應(yīng)力分布穩(wěn)定在2.75 MPa、3.14 MPa。由此可知在支護初期充填體能夠較好地發(fā)揮支護能力，支護效果良好，當基本頂發(fā)生斷裂后，支護體承擔的重量增加，其垂直應(yīng)力增加。由于支護體本身強度并不高，隨支護阻力增加，支護體被壓縮承載能力下降，但隨著上覆巖層觸矸其支護阻力不再發(fā)生變化，且支護體寬度越大，承載能力越強，因此，在合理寬度范圍內(nèi)，選擇4 m 支護體寬度能夠發(fā)揮最佳的承載能力。

圖9 不同寬度條件下支護體垂直位移云圖

5 結(jié)語

1）通過理論分析對4102 綜放工作面沿空留巷巷旁支護體寬度進行了分析研究，分別建立了支護早期和支護后期的力學(xué)模型，并通過計算得到在堅硬頂板下巷旁充填體寬度的合理范圍為1.8～4.15 m。

2）依據(jù)理論計算結(jié)果，選取支護體寬度為2 m、3 m、4 m，運用FLAC3D模擬軟件分別對不同支護體寬度條件下的應(yīng)力分布規(guī)律及變形情況進行了研究分析。結(jié)果表明，支護體寬度為4 m 時，支護體變形量最小且其支護效果最佳。因此，確定該工作面巷旁充填支護體的合理寬度為4 m。

參考文獻著錄格式及示例（1）

論文集：

格式：[序號]作者名.論文題名[C].論文集名.出版地:出版者,出版年：起止頁碼.

示例: 陳清如.大力發(fā)展高效的干法選煤新技術(shù)[C].潔凈煤技術(shù)國際研討會論文集.北京:煤炭工業(yè)出版社,1997：25-28.

報告：

格式：[序號]作者（責任單位）.報告名稱[R].保存地：保存單位，年份：起止頁碼.

示例：新汶礦業(yè)集團有限責任公司.千米深井巷道錨桿支護配套技術(shù)研究與應(yīng)用[R].新泰：新汶礦業(yè)集團有限責任公司，2000：15-20.

學(xué)位論文：

格式：[序號]作者名.論文題名[D].保存地點:保存單位,年份：起至頁碼.

示例: 姚金星.尾部煙氣增濕活化脫硫技術(shù)研究[D].北京:清華大學(xué),1998：31-42.