沿空留巷巷旁支护体最优宽度研究
时间：2022-02-10 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 智慧矿山 ★
沿空留巷巷旁支护体最优宽度研究
近年来，沿空留巷是我国无煤柱护巷技术研究的重要组成部分，沿空留巷技术能够实现煤炭采出率的提高、巷道掘进量的降低、解决采掘接替的矛盾、增加煤矿的服务年限，避免煤炭资源的大量损失，其技术优势和经济效益显著。但是，随着沿空留巷技术在我国近水平煤层的广泛应用，成本高、巷旁支护强度低、巷道变形大、效果差等问题成为制约沿空留巷技术研究的瓶颈。
针对现阶段沿空留巷技术存在的诸多问题，本文以济宁三号煤矿183上04工作面沿空留巷为研究背景，通过建立力学模型和数值模拟分析，确定沿空留巷巷旁支护体最优宽度，对济宁三号煤矿沿空留巷经济技术指标及安全生产提供一定的借鉴，且对沿空留巷技术的发展研究具有一定启示。
1 沿空留巷巷旁支护体宽度理论研究
巷旁支护体的宽度是影响支护体稳定性的关键，支护体宽度与其稳定性一般成正比关系，但宽度的增加会造成留巷成本增加，施工效率降低。巷旁支护体的宽度选择目前没有统一标准，一般采用经验类比法来确定。根据国内外支护体宽高比的经验，巷旁支护体的宽度通常为采高的0.6～0.9倍。巷旁支护体的合理宽度的确定，需要充分考虑旁巷支护体宽度对自身稳定性的影响，避免因支护体宽度的过小而产生的支护体拉坏或压坏变形失稳。根据巷旁支护体与围岩相互作用关系建立巷旁支护体力学模型，如图1所示。
图1 巷旁支护体力学模型
通过分析和计算，可得巷旁支护体宽度B的最小值。
巷道侧拉应力达到破坏极限时：
式中：h——墙体高度，m；
f——支护体与顶板间摩擦系数；
q1——巷道侧顶板载荷集度，MPa；
q2——采空侧顶板载荷集度，MPa；
Rt——支护体抗拉强度，MPa。
采空侧压应力达到破坏极限时：
式中：Rc——支护体抗压强度，MPa。
实际计算时，可根据同类型顶板条件下所测的矿压资料，采用类比法来简化支护体上不均布载荷，根据不同情况可分别简化为三角形分布、直角梯形分布或矩形分布，为现场试验提供巷旁支护体的宽度下限。
将济宁三号煤矿183上04工作面具体参数代入式(1)和式(2)，从墙体受力破坏的角度计算得到了巷道的宽度，从沿空留巷墙体稳定性要求的角度，一般要求宽高比不少于0.5，因此，当墙体高度为1.4 m时，墙体宽度不应低于0.7 m，考虑到旁巷支护体结构设计和更高的安全要求，183上04工作面沿空留巷旁巷支护体宽度取0.75 m。
2 不同支护体宽度对沿空留巷围岩变性特征的影响
运用数值模拟方法，对不同宽度支护体对围岩变性特征的影响进行研究，通过围岩应力、顶底板及两帮变形量分析，确定支护体宽度。依据济宁三号煤矿183上04工作面地质条件，在巷内支护形式及参数确定的情况下，模型分为0.5 m、0.75 m、1 m和1.5m共4种支护体宽度进行模拟。
2.1 不同支护体宽度垂直应力分析
为了研究不同支护体宽度对巷道围岩垂直应力的影响，列出4种模拟方案的垂直应力等值线图，如图2所示。由图2可以看出，不同支护体宽度下的垂直应力分布规律基本一致，应力集中主要出现在支护体内部和煤帮深处约7～9 m范围内。当支护体宽度从0.5 m增加到0.75 m时，煤帮深处最大垂直应力由31 MPa减少到29 MPa，下降了6%，支护体应力由5 MPa增加到6 MPa，增长了20%，增幅较为明显；从0.75 m增加到1 m时，煤帮深处应力减少3%，支护体应力增加8%；支护体宽度继续增加到1.5 m时，煤帮深处和支护体垂直应力仍有增加，但增幅已经趋于稳定。结果表明，随着支护体宽度越大，支护体的垂直应力增大，承载能力增强，分担了煤帮深处的压力，减小煤帮深处的垂直应力，符合“硬支多载”规律；当支护体宽度达到一定值后，继续增加支护体宽度，煤帮深处和支护体垂直应力的变化已不明显，说明支护体宽度存在最优值；证明了支护体主要起到维护留巷围岩稳定的作用，影响围岩应力分布及峰值的主要因素是上覆岩层的大结构。
2.2 不同支护体宽度顶底板变形分析
为了研究不同支护体宽度对顶底板变形量的影响，列出4种模拟方案的巷道顶底板的变形曲线图，如图3和图4所示。
由图3和图4可知，随着支护体宽度的增加，巷道顶底板变形量逐渐降低。分析巷道顶底板变形与支护体宽度的关系，支护体宽度由0.5 m增加到0.75 m时，巷道顶板的下沉量减少32～39 mm，平均减少35.5 mm，底板底鼓量减少28～32 mm，平均减少30 mm；由0.75 m增加到1 m时，巷道顶板的下沉量平均减少14.5 mm，底板下沉量约10 mm；继续增加到1.5 m时，巷道顶板的下沉量平均减少13.5 mm，底板变形量减少10 mm。研究表明，支护体宽度与巷道顶底板变形量成反比的关系，表明支护体宽度的增加可以有效控制顶底板的变形；支护体宽度由0.5 m增加至0.75 m时，顶底板变形量减少最大，随着支护体宽度进一步增加，顶底板变形量仍有小幅的下降，但下降幅度已经趋于稳定。同时，随着支护体宽度增加，支护体顶底板变形量逐渐减少。支护体宽度由0.5 m时增加到1.5 m，支护体顶板变形量减少了30 mm左右；由0.75 m增加到1 m时，支护体顶板变形量减少了16.5 mm左右；继续增加到1.5 m时，支护体顶板变形量继续减少，但减少量基本趋于稳定；支护体厚度为0.75 m时，支护体顶板下沉量与该处巷道顶板下沉量基本一致，此时，支护体顶板下沉与小结构变形基本保持一致。支护体宽度继续增加至1.5 m时，支护体顶板下沉量大于该处巷道顶板下沉量，在维护顶板完整性方面发挥的作用被削弱；支护体底部变形趋势与巷道围岩变形趋势大致一样。
图2 不同支护宽度下的垂直应力等值线图
图3 巷道顶板变形曲线
图4 巷道底板变形曲线
2.3 不同支护体宽度两帮变形分析
为了研究不同支护体宽度对两帮变形量的影响，列出4种模拟方案的两帮变形曲线如图5和图6所示。
图5 巷道煤帮变形曲线
图6 支护体帮变形曲线
由图5和图6可以看出，随着支护体宽度增加，巷道的两帮变形量逐渐减小；煤帮侧变形量沿底板至顶板逐渐增大，而支护体侧变形量则为中间大、两边小分布状态，煤帮侧变形总体大于支护体帮部。支护体宽度由0.5 m增加到0.75 m时，煤帮部和支护体帮部变形量分别减少了约20 mm和19.5 mm；由0.75 m增加到1 m时，煤帮部和支护体帮部变形量分别减少了约10 mm、9.5 mm；继续增加到1.5 m时，两帮的变形量继续减少，但下降幅度越来越小，变形逐步趋于稳定。由此可知，支护体宽度的增加可以有效控制巷道两帮的变形量。因此，支护体宽度存在最优值。
综上所述，沿空留巷巷旁支护体宽度的存在最优值。当宽度小于最优值时，巷道顶底板及两帮的变形量较大，留巷效果较差；当宽度等于该值时，巷道顶底板及两帮的变形量明显减少；当宽度大于该值时，顶底板及两帮的变形量并没有发生明显减小现象，变形逐步趋于稳定。这是由于巷道顶板处于巷旁支护体和煤帮支撑的给定变形的状态，当顶板岩层活动稳定后，随着巷旁支护体的宽度增加，顶板的变形量的下降幅度会越来越小，最后即使支护体宽度继续增加，巷道位移变形也会逐步趋于稳定。另外，最优的支护体宽度既可以控制巷道的变形量，保证沿空留巷取得成功，又可以有效减少留巷的工期和费用，实现工作面的高产高效。因此，183上04工作面沿空留巷巷旁支护体的最优宽度为0.75 m。
4 工程实践
通过对济宁三号煤矿183上04工作面4个测站的变形观测和实际数据分析可知，该沿空留巷巷道顶底板相对移近量均在380 mm以下，巷道围岩总体变形量较小，未发生大的破坏变形；顶板活动剧烈时期分布也符合顶板应力分布规律。所以，183上04工作面沿空留巷旁巷支护体宽度选取实现最优。
5 结论
(1)通过对沿空留巷巷旁支护体宽高比的理论研究，建立巷旁支护体力学模型，推导出巷旁支护体宽度计算公式，从理论角度确定旁巷支护体的最优宽度。
(2)运用FLAC数值模拟软件建立了0.5 m、0.75 m、1 m和1.5 m四种支护体宽度模型，对不同宽度支护体对围岩变性特征的影响进行研究，通过围岩应力、顶底板及两帮变形量分析，对旁巷支护体最优宽度理论的可行性进行了验证。
(3)最优旁巷支护体宽度的研究不仅提高了沿空留巷现场施工的安全性，也提高矿井生产经济效益，对沿空留巷技术的发展研究具有一定借鉴意义。
[1] 钱鸣高.矿山压力与岩层控制[M].北京：中国矿业大学,2003
[2] 刘泽.沿空留巷支护结构的可靠性分析[D].湖南科技大学，2008
[3] 郭育光，柏建彪，侯朝炯.沿空留巷巷旁充填体主要参数研究[J].中国矿业大学学报，1992(4)
[4] 孙恒虎，赵炳利.沿空留巷的理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社，1993
[5] 李化敏.沿空留巷顶板岩层控制设计[J].岩石力学与工程学报，2000(5)
[6] 华心祝，马俊枫，许庭教.锚杆支护巷道巷旁锚索加强支护沿空留巷围岩控制机理研究及应用[J].岩石力学与工程学报，2007(6)
[7] 谢文兵，冯光明.综放沿空留巷围岩控制机理[J].中南大学学报，2008(8)
[8] 谢文兵.综放沿空留巷围岩稳定性影响分析[J].岩石力学与工程学报，2004(18)
[9] 陈勇，柏建彪，朱涛垒.沿空留巷巷旁支护体作用机制及工程应用[J].岩石力学，2012(22)
Study on the optimal width of side support body along gob side entry
Yang Fuyu, Zhang Zhenyang, Ren Zhenqun, et al.Study on the optimal width of side support body along gob side entry[J].China Coal，2019,45(5)：46-49,58.
- 相关推荐
