兰花宝欣煤业沿空留巷充填墙体合理宽度研究.pdf

492023 年第 9 期王 超：兰花宝欣煤业沿空留巷充填墙体合理宽度研究 兰花宝欣煤业沿空留巷充填墙体合理宽度研究 王 超（山西古县兰花宝欣煤业有限公司，山西 临汾 042400）摘 要 为确定出兰花宝欣煤业综采工作面沿空留巷合理充填墙体宽度，通过 FLAC3D数值模拟软件，对比分析了不同充填墙体宽度下的巷道应力及位移分布情况，得出合理的巷旁充填墙体宽度为 1.5 m，并通过理论计算验证了 1.5 m 宽度墙体的合理性。现场应用结果表明，留巷段的围岩及充填墙体的稳定性较好，满足工作面安全高效的生产需求。关键词 沿空；留巷；充填；宽度 中图分类号 TD823.7 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.09.016Research on Reasonable Width of Retaining Roadway Along Goaf Filling Wall in Lanhua Baoxin Coal IndustryWang Chao(Shanxi Guxian Lanhua Baoxin Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Linfen 042400)Abstract:In order to determine the reasonable filling wall width of the retaining roadway along goaf in the fully mechanized mining face of Lanhua Baoxin Coal Industry,the stress and displacement distribution of the roadway under different filling wall widths are compared and analyzed by using FLAC3D numerical simulation software.The reasonable filling wall width next to the roadway is determined to be 1.5 m,and the rationality of the 1.5 m width wall is verified through theoretical calculation.The on-site application results indicate that the stability of the surrounding rock and filling wall in the retaining roadway section is good,meeting the safe and efficient production needs of the working face.Key words:along goaf;retaining roadway;filling;width收稿日期 2023-02-13作者简介 王超（1992），男，山西运城人，2013 年毕业于山西煤炭职业技术学院煤矿开采技术专业，专科，助理工程师，从事安全管理工作，研究方向：矿山安全。王 超：兰花宝欣煤业沿空留巷充填墙体合理宽度研究 1 工程概况兰花宝欣煤业 3209 综采工作面开采 3#煤层，3#煤层赋存稳定，结构简单，煤层平均厚度 2.05 m。顶板岩性为粉砂岩、泥岩，底板岩性为泥岩或粉砂岩。3209 综采工作面地面标高为+1155+1200 m，井下标高为+740+672 m。工作面东侧为实体煤，南侧为原 3207 采空区，西侧为南翼运输巷、北翼2#煤总回风巷、北翼 3#煤总回风巷、北翼轨道大巷，北侧为采空区 BYCK-01（2005 年 5 月9 月）。为减少煤炭资源的浪费，提高经济效益，考虑在 3209 工作面回采后，将 3209 轨道顺槽保留作为下一采面的进风巷使用。为确保沿空留巷的稳定性，需对巷旁柔模充填墙体的合理宽度1-5进行确定。2 数值模拟分析2.1 建立模型为确定充填体的合理宽度，根据 3209 综采工作面的实际工程地质条件，采用 FLAC3D数值模拟软件建立了不同充填体宽度（1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m）的计算模型，模拟分析工作面开挖后不同宽度墙体及巷道的应力、位移演化规律。模型尺寸统一为长 宽 高=300 m100 m80 m；在模型上边界施加 9.9 MPa 的垂直均布载荷，以模拟覆岩压力，模型四周及下边界采用位移边界条件约束；模拟单元均遵循摩尔库伦破坏准则。模拟中煤岩体物理力学参数见表 1。2.2 模拟结果分析1）应力分析工作面推进过程中，不同宽度墙体的巷道应力云图如图 1。由图 1 可知，随着工作面的推进，不同工况下502023 年第 9 期巷道上方均出现不同程度的应力释放区。充填墙体宽度分别为 1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m 时，对应的巷道顶板垂直应力分别为 3.7 MPa、2.6 MPa、1.7 MPa 及 1.4 MPa，较上一宽度的降低率分别为29.7%、34.6%、17.6%；而巷道副帮存在明显的垂直应力集中，其应力值分别为 23 MPa、19 MPa、21 MPa 及 22 MPa，在生产时应对副帮加强支护；充填墙体的垂直应力分别为 8 MPa、6 MPa、4 MPa及5 MPa，巷道底板的应力较小，变化规律基本一致。表 1 煤岩体物理力学参数表岩性体积模量/GPa切变模量/GPa内摩擦角/（）黏聚力/MPa容重/（kg/m3）抗拉强度/MPa粉砂岩2.752.04394.7825005.70泥岩0.910.38280.4116000.72煤0.370.29250.3013000.53充填墙体11.95.76414.2426002.20（a）1.0 m 垂直应力 （b）1.2 m 垂直应力 （c）1.5 m 垂直应力 （d）2.0 m 垂直应力图 1 不同宽度墙体的巷道应力云图2）位移分析随着工作面的推进，不同宽度墙体的巷道位移演化云图如图 2。由图 2 可知，充填墙体宽度分别为 1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m 时，对应的巷道顶板下沉量分别为 500 mm、380 mm、230 mm、200 mm，较上一宽度的降低率分别为 24.0%、39.5%、13.0%；巷道副帮水平方向的变形量分别为 223 mm、185 mm、200 mm 及 170 mm，基本相差不大。（a）1.0 m 垂直位移 （b）1.2 m 垂直位移 （c）1.5 m 垂直位移 （d）2.0 m 垂直位移（e）1.0 m 水平位移 （f）1.2 m 水平位移 （g）1.5 m 水平位移 （h）2.0 m 水平位移图 2 不同宽度墙体的巷道位移演化云图综合数值模拟结果可知，随着充填墙体宽度的增加，巷道顶板的应力集中程度及顶板下沉量均逐渐降低，但当充填墙体宽度由1.5 m增加至2.0 m时，顶板垂直应力及下沉量的降低幅度不明显，继续增加墙体宽度对巷道稳定性的影响不再明显。1.5 m 的墙体宽度已能满足安全生产需求，因此，综合考虑经济成本及巷道稳定性需求等因素，确定 3209 轨道顺槽沿空留巷的巷旁充填墙体宽度为 1.5 m。3 充填墙体宽度理论验算3.1 墙体载荷计算充填墙体的载荷力学模型如图 3。墙体及巷道上方的岩体发生离层断裂，并回转下沉，引起一定强度的矿压显现，可采用“分离岩块法”对充填墙体的宽度进行验算。充填墙体承受的载荷 q 可由下式计算：()()BCBCs8tan2cos0 5Bhbxbh bxbqxb.x+=+（1）式中：h 为工作面采高，取 2.05 m；为离层岩块的剪切角，取 26；bB为巷道宽度，取 5.0 m；x 为充填墙体宽度，取 1.5 m；bC为充填墙体外侧的悬顶距，取 0.3 m；s为岩块的平均容重，取 24 kN/m3；为工作面内煤层的倾角，取 3。图 3 “分离岩块法”计算模型将 3209 综采工作面的相关参数代入式（1）进行计算得出，当充填墙体宽度为 1.5 m 时，其承受的载荷为 836.7 kPa。则作用在单位长度、宽度 1.5 m 的墙512023 年第 9 期王 超：兰花宝欣煤业沿空留巷充填墙体合理宽度研究 体压力为：836.7 kPa1 m1.5 m=1 255.05 kN。受采动影响，取 3 倍的安全系数，则作用在充填墙体上方的压力：1 255.05 kN3=3 765.15 kN。3.2 墙体承载力验算充填墙体的承载能力可由下式计算：N2=0.9fcAc （2）式中：N2为巷旁充填墙体的承载能力，kN；fc为充填体混凝土材料的抗压强度，取 19.1 MPa；Ac为单位长度柔模内混凝土截面积，取 1.5 m2。将相关参数代入上式，巷旁充填墙体的承载能力为 25 785 kN，采用“分离岩块法”得出墙体矿压为 3 765.15 kN。充填墙体的承载能力远大于留巷矿压强度，1.5 m 巷旁充填墙体宽度合理。4 工程应用4.1 巷旁充填墙体参数在 3209 轨道顺槽巷内浇筑墙体，墙体宽度为1.5 m，底板向下掏槽 200 mm 并清理干净后开始施工。为防止充填墙体发生较大的变形，在充填体内设置锚栓，锚栓直径为 22 mm，长度为 1100 mm，每排布置 5 根，间排距均为 800 mm；巷内每排布置 4 根单体支柱进行补强支护，第一根单体支柱在距副帮 800 mm 处布置，其余单体支柱的间距依次为 1000 mm、1700 mm、1000 mm，单体支柱的排距为 1600 mm，切眼口至留巷 200 m 时，视顶板情况进行回收留巷单体柱。具体布置参数如图 4。图 4 沿空留巷支护断面图（mm）4.2 充填墙体混凝土输送用于浇筑巷旁充填墙体的材料为混凝土，其主要成分为水泥、砂子及碎石子，先在地面将各组分进行配比，随后通过输送机运输至井下进行湿料搅拌。井下料浆制备站的总长度为 30 m，每小时可生产 50 m3的料浆，输送距离最远可达到 500 m。4.3 矿压观测选取充填墙体中部的锚杆进行受力监测分析，如图 5。工作面推进刚过充填体时，墙体中部锚杆的轴向应力约为 13 kN，工作面推进 050 m 后，锚杆轴力开始迅速增大，随后逐渐趋于稳定，稳定后的轴力约为 85 kN，表明巷旁充填墙体为受采动影响而发生破坏，承载性能较强。留巷段稳定后的顶板最大下沉量约为 250 mm，充填墙体的变形量约为 80 mm，巷道副帮的变形量约为 140 mm，整体变形量较小，满足井下安全高效生产需求，验证了1.5 m 宽度墙体的适用性。图 5 锚杆轴力监测结果4.4 经济效益分析3209 综采工作面的留巷长度约为 1000 m，掘进巷道每米的费用约为 3400 元，而每米沿空留巷的直接费用约为 6300 元，则每米巷道的成本增加了 2900 元，共计增加成本 290 万元；沿空留巷可回收 15 m 的煤柱，约为 14.6 万 t，按每吨煤炭 230元进行估算，可创收 3358 万元，减去沿空留巷前期购置设备及材料成本 600 万元，产生的效益达到了 2758 万元，可大幅提高矿井的经济效益。5 结论1）通过 FLAC3D数值模拟软件建立不同宽度巷旁墙体的留巷模型，对比分析了不同充填墙体宽度下的巷道应力及位移分布情况，得出合理的巷旁充填墙体宽度为 1.5 m。2）采用“分离岩块法”计算得出巷旁充填墙体上方的矿压为 3 765.15 kN/m，而充填墙体的承载能力为 25 785 kN/m，远大于留巷矿压强度，验证了 1.5 m 巷旁充填墙体宽度的合理性。3）现场矿压监测结果表明，工作面推进后，充填墙体中间锚杆的轴力稳定在 85 kN 左右；巷道稳定后的顶板最大下沉量约为 250 mm，充填墙体的变形量约为 80 mm，巷道副帮的变形量约为 140 mm，整体变形量较小，满足井下安全高效生产需求。4）采用1.5 m宽度的充填墙体进行沿空留巷后，（下转第 54 页）542023 年第 9 期产生的效益达到了2758万元，具有良好的推广前景。【参考文献】1 李迎富，华心祝.沿空留巷上覆岩层关键块稳定性力学分析及巷旁充填体宽度确定J.岩土力学，2012，33（04）：1134-1140.2 郝晓飞，郝兵元，谢益盛，等.中厚煤层沿空留巷巷旁柔模混凝土充填体合理宽度研究及应用J.矿业安全与环保，2019，46（05）：60-65.3 王晓虎，李迎富，华心祝，等.深部复合顶板下沿空留巷巷旁充填体合理宽度研究J.煤炭工程，2016，48（10）：41-44.4 康红普，牛多龙，张镇，等.深部沿空留巷围岩变形特征与支护技术 J.岩石力学与工程学报，2010，29（10）：1977-1987.5 张鹏，曹学文.柔模沿空留巷工艺及矿压显现规律研究 J.煤炭技术，2021，40（12）：59-63.（a）剖面图 （b）俯视图图 5 4101 胶带顺槽切顶钻孔布置示意图（m）4 应用效果4101 胶带顺槽采用上述支护及切顶措施留巷期间，间隔 50 m 设置矿压监测站，以距开切眼 200 m 处测点为例，收集整理此处测点数据，得到围岩变形情况如图 6。分析可知，超前回采工作面 030 m 期间，巷道表面开始出现轻微的变形，围岩整体稳定；滞后工作面 0110 m 期间，顶底板变形量快速增大，而两帮的变形一直持续至滞后回采工作面 200 m，在此期间采空区顶板剧烈运动，导致巷道内矿压显现明显；滞后工作面 110250 m 期间，顶底板变形量基本保持稳定，顶板下沉量稳定在460 mm，底板底鼓量稳定在 50 mm；滞后工作面200250 m 期间，两帮变形量基本保持稳定，实体煤帮及墙体侧内移量均保持在 60 mm 以下。总体而言，巷道表面变形量属正常，沿空留巷围岩整体收敛变形保持在较低水平，达到较好的留巷支护效果。（a）顶底板 （b）两帮图 6 留巷期间围岩变形曲线5 结语以鑫顺煤业 4101 工作面开采为工程背景，对4101 胶带顺槽巷旁充填关键参数进行设计，确定充填体尺寸长、宽、高为 3.0 m、1.5 m、1.7 m，高水材料水灰比 1.5。借助理论分析计算、工程经验确定爆破预裂切顶卸压钻孔深度、封孔深度、装药量等主要参数，设计现场试验并通过钻孔窥视分析爆破效果，最终确定炮孔最佳间距为 600 mm。矿压监测表明，留巷期间顶底板移近量保持在 600 mm以下，两帮移近量保持在 120 mm 以下，巷道表面围岩变形属于正常矿压显现，留巷效果较理想，所设计巷旁支护及切顶方案合理有效。【参考文献】1 赵中伟.基于薄煤层坚硬顶板工作面的沿空留巷技术研究 J.能源与节能，2022（12）：136-138+192.2 姬志朋.南阳煤矿综放沿空留巷超前预裂切顶技术优化 J.山东煤炭科技，2022，40（11）：19-21+24.3 郭靖.煤矿坚硬厚层顶板沿空留巷工作面切顶卸压技术研究 J.能源与节能，2022（11）：100-103.4 田晓龙.新景矿工作面巷旁充填沿空留巷支护技术应用 J.江西煤炭科技，2022（04）：28-30.（上接第 51 页）