白清才

【摘 要】 沿空留巷開采技術(shù)具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，但隨著開采深度不斷延伸，留巷填充寬度的確定問題逐漸涌現(xiàn)。為科學(xué)解決以上問題，文章以某礦沿空留巷回采技術(shù)為依托，采用數(shù)值模擬的方法進行分析，得出填充寬度3m最佳。鑒于安全考慮現(xiàn)場設(shè)置填充寬度3.5m，通過施工后對巷道圍巖進行考察，考察結(jié)果顯示，填充寬度安全可靠。

【關(guān)鍵詞】 沿空留巷;數(shù)值模擬;填充寬度;效果考察

【中圖分類號】 TD713 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）02-0010-02

1工程背景

某礦2311工作面臨近面為2309工作面，主采煤層為3#煤層，平均煤層厚度6m，面長1250m，面寬190m，采用綜合機械化放頂煤開采方式，工作面平均埋深1400m。2309工作面已經(jīng)采完，原工作面面長1250m，面寬200m，2309運輸巷為靠近2311工作面回風(fēng)巷一端。巷道布置圖如圖1所示。原2309運輸巷寬6m，高3.5m，為半圓結(jié)構(gòu)。現(xiàn)擬將2309運輸巷進行重新支護，作為2311綜放面回風(fēng)巷。

2沿空留巷圍巖應(yīng)力分析

為確定沿空留巷的填充寬度以及填充后巷道圍巖支護措施，本文進行了不填充、填充2m、填充3m和填充4m時巷道圍巖應(yīng)變模擬研究，采用耦合模擬軟件COMSOL進行數(shù)值模擬。假設(shè)填充物均勻，填充材料均勻，所有材料的模擬均在彈性范圍內(nèi)，不考慮多孔介質(zhì)內(nèi)部滲流現(xiàn)象，不考慮溫度對模型的力學(xué)改性現(xiàn)象。采用彈性固體應(yīng)力模型進行模擬。煤層頂板為粉砂巖，底板為泥巖，各個巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示。模擬結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2模擬了經(jīng)過10個月后，沿空留巷周圍巖石應(yīng)力的分布云圖。假設(shè)巷道周圍煤巖為彈性介質(zhì)，巷道周圍巖石應(yīng)力為1.0×108～2.0×108Pa。圖3模擬了頂板在不同填充厚度時，頂板巖石應(yīng)力演化曲線，分別模擬了0個月、1個月、2個月、3個月、4個月、5個月、6個月、7個月、8個月、9個月、10個月共計11個時間點巷道頂板應(yīng)力分布曲線圖。

由圖3可知，當(dāng)沿空留巷中無填充時，整個巷道以及采空區(qū)頂板受到約1.68×108Pa的應(yīng)力，底板受到約1.8×108Pa的應(yīng)力，應(yīng)力峰值突破頂、底板巖石的彈性極限，現(xiàn)場為全部垮塌散落狀態(tài)。當(dāng)巷道填充寬度為2m時，應(yīng)力基本全部集中在了填充柱上，有效地控制了巷道頂板應(yīng)力分布集中的現(xiàn)象，應(yīng)力大面積集中區(qū)域處于填充柱體中部，應(yīng)力集中區(qū)呈矩形狀態(tài)。當(dāng)巷道填充3m時，應(yīng)力集中區(qū)域依舊分布在填充柱體上，應(yīng)力大面積集中區(qū)域位于填充柱中部，集中片區(qū)呈葫蘆形狀。當(dāng)填充寬度達到4m時，頂部應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)大面積分區(qū)，即采空區(qū)，填充柱體承受了大部分應(yīng)力，填充柱體應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)水平兩側(cè)分離現(xiàn)象。填充柱水平方向中部出現(xiàn)應(yīng)力下降的現(xiàn)象。因此，實際會出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。

通過分析圖3可知，無支護情況下，初始頂板應(yīng)力隨著距離巷幫長度增大呈現(xiàn)上升趨勢，到達2m范圍后基本穩(wěn)定在平穩(wěn)點0.88×108Pa上。隨著時間的推移1月時間點時，頂板應(yīng)力在2.3m位置點增加到1.3×108Pa這個最高點上后出現(xiàn)下降又上升最后趨于平穩(wěn)的狀態(tài);2月、3月、4月、5月、6月、7月、8月應(yīng)力曲線分布和1月一致，但隨著時間推移，后期波動漸漸趨于平緩。9月時又再次出現(xiàn)大幅波動，并且所有波動點達到最高點，10月又開始下降到平穩(wěn)點。推測9月出現(xiàn)大面積破裂現(xiàn)象。分析填充2m、3m、4m的曲線演化圖可知，巷道頂板應(yīng)力基本出現(xiàn)由左向右下降的趨勢，但填充寬度為3m的曲線應(yīng)力變化整體較為平緩。

綜上所述，填充寬度2m時，應(yīng)力過于集中于填充柱，容易造成填充柱過早垮塌;填充寬度為4m時，容易造成填充過渡，造成工程浪費的現(xiàn)象。因此建議填充寬度為3m。

3沿空留巷填充寬度確定及圍巖控制措施

通過數(shù)值模擬可知，沿空留巷填充寬度為3m最佳。但由于實際工程會出現(xiàn)填充質(zhì)量不佳的情況，因此將填充寬度設(shè)定為3.5m，填充材料為水泥漿和磚混結(jié)構(gòu)，填充方式如圖4所示，兩側(cè)用磚混結(jié)構(gòu)建造0.5m的墻面結(jié)構(gòu)，然后在中間灌漿，為保證整體結(jié)構(gòu)受力均勻性，頂部建造管棚結(jié)構(gòu)，保證整體的應(yīng)力分布均勻。為防止圍巖垮塌，在靠近巷道一側(cè)進行工字鋼支架結(jié)構(gòu)安置，排間距0.4m。

填充完成后，未填充靠近采面一邊采用錨固噴漿技術(shù)，保證整個巷道完整性。實施完成后巷道安設(shè)了頂板離層儀等設(shè)備進行圍巖應(yīng)力變化實時觀測。通過后期效果考察，沿空留巷填充帶實施完成后，10個月的時間內(nèi)巷道未出現(xiàn)應(yīng)力大幅變化、巷道大面積垮落的現(xiàn)象。沿空留巷填充寬度3.5m安全可靠。

4結(jié)論

由于沿空留巷回采技術(shù)可有效回收預(yù)留煤柱、節(jié)省單獨掘進一條巷道的開支的優(yōu)點，因此具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。本文以深部沿空留巷開采技術(shù)為研究對象，進行了數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場的研究得出以下結(jié)論：

模擬得出填充寬度2m出現(xiàn)應(yīng)力過于集中于填充柱的現(xiàn)象，填充4m存在工程量浪費現(xiàn)象，因此填充寬度為3m。

由于現(xiàn)場存在填充材料不均勻的現(xiàn)象，建填充跨度調(diào)整到3.5m，通過現(xiàn)場施工并進行后期效果考察可知，填充寬度3.5m安全可靠。

【參考文獻】

[1]張自政.沿空留巷充填區(qū)域直接頂穩(wěn)定機理及控制技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2016.

[2]李勝，李軍文，范超軍，等.綜放沿空留巷頂板下沉規(guī)律與控制[J].煤炭學(xué)報，2015，40（9）：1989-1994.

[3]張自政，柏建彪，陳勇，等.沿空留巷不均衡承載特征探討與應(yīng)用分析[J].巖土力學(xué)，2015，36（9）：2665-2673.

[4]李軍文.五陽煤礦綜放開采沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究[D].葫蘆島：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2015.

[5]于憲陽.沿空留巷滯后段煤幫采動破壞機理及注漿重構(gòu)技術(shù)[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

[6]張農(nóng)，韓昌良，闞甲廣，等.沿空留巷圍巖控制理論與實踐[J].煤炭學(xué)報，2014，39（8）：1635-1641.

[7]楊德傳.深部厚層復(fù)合頂板沿空留巷圍巖變形機理及其控制研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2013.

[8]韓昌良.沿空留巷圍巖應(yīng)力優(yōu)化與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2013.

[9]楊綠剛.深部大采高充填開采沿空留巷礦壓規(guī)律及協(xié)同控制研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2013.

[10]陳勇.沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)運動穩(wěn)定機理與控制研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2012.