充填開采充實率對沿空留巷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定影響研究

焦殿志，吳曉剛，周 楠

(1.皖北煤電公司五溝煤礦，安徽 淮北 234000；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

無煤柱沿空留巷技術(shù)是沿采空區(qū)邊緣重新維護上一區(qū)段回采巷道供下區(qū)段使用的技術(shù)。隨著我國一些礦區(qū)資源不斷減少，無煤柱沿空留巷技術(shù)對于提高煤炭資源采出率尤為重要[1]。

隨著該技術(shù)不斷發(fā)展，已應(yīng)用于不同開采條件的煤礦。國內(nèi)外學(xué)者也進行了大量的基礎(chǔ)研究[2-5]，如李迎富等研究了沿空留巷上覆巖層關(guān)鍵塊穩(wěn)定性力學(xué)分析及巷旁充填體寬度的確定；闞甲廣等對留巷充填區(qū)域頂板承載性能進行了研究；謝文兵等研究了綜放沿空留巷圍巖控制機理，分析了留巷前巷道支護形式、充填體寬度、充填方式以及端頭不放頂煤長度等對綜放沿空留巷的作用和效果；馬立強等在綜放巷內(nèi)充填原位沿空留巷技術(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)巖層控制的關(guān)鍵層理論，建立綜放巷內(nèi)充填原位沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，推導(dǎo)出不同地質(zhì)條件下巷內(nèi)充填體的支護阻力計算公式，并對圍巖與巷內(nèi)充填體之間的相互作用機制進行深入分析；黃艷利等結(jié)合井下礦壓監(jiān)測，研究了綜合機械化固體充填采煤巷旁充填原位沿空留巷技術(shù)，以及兩幫位移、頂板下沉隨工作面推進的變化關(guān)系。

近幾年，隨著綜合機械化固體密實充填采煤技術(shù)研發(fā)，無煤柱沿空留巷技術(shù)也得到了應(yīng)用，但該方面的基礎(chǔ)研究較少。本文將研究采空區(qū)充實率[6]對沿空留巷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響關(guān)系，為無煤柱沿空留巷技術(shù)在綜合機械化固體密實充填采煤面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 充填采煤面沿空留巷方案

傳統(tǒng)垮落法管理頂板條件下，工作面沿空留巷為工作面運輸平巷或回風(fēng)平巷按正常設(shè)計斷面掘進，在工作面回采期間實行沿空留巷。根據(jù)巖層控制的關(guān)鍵層理論，沿空留巷時，在采空區(qū)靠巷道一側(cè)進行充填形成條帶，整個充填帶在采空區(qū)里面，不受原巷內(nèi)支護的保護，如圖1(a)所示。對于綜合機械化固體充填采煤工作面，由于采空區(qū)實現(xiàn)了全斷面固體密實充填，隨著工作面的推進，上覆巖層壓力由未開采前的實體煤轉(zhuǎn)移至開采后的煤壁、綜采液壓支架及采空區(qū)充填體，基本頂和關(guān)鍵層僅彎曲下沉而無破斷。相比傳統(tǒng)垮落法管理頂板開采條件，綜合機械化固體密實充填[7-8]限制了基本頂關(guān)鍵層彎曲下沉中的回轉(zhuǎn)變形，為工作面沿空留巷提供了良好的實施條件?；诖?，設(shè)計固體充填采煤沿空留巷方案，即隨著充填工作面向前推進，充采工藝與留巷工藝同時進行，在端頭支架的掩護下，在靠采空區(qū)充填體側(cè)通過人工堆砌矸石墻，并采用錨桿、鋼帶、鋼梁及金屬網(wǎng)等支護方式進行加強保護，形成巷旁充填體，與巷道原支護體系主動支護頂板，共同維持巷道的作業(yè)空間，實現(xiàn)固體充填采煤沿空留巷，如圖1(b)所示。

圖1 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)圖

2 充填采煤面沿空留巷圍巖支護結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

固體密實充填采空區(qū)頂板不發(fā)生破斷，只發(fā)生彎曲變形?；诖?，建立充填采煤沿空留巷圍巖支護結(jié)構(gòu)力學(xué)模型[9-10]。梁左端起點表示采空區(qū)一側(cè)煤壁，梁長L表示工作面長度的一半。k1和k2分別為矸石墻和充填體的彈性模量。如圖2所示。

圖2 密實充填沿空留巷力學(xué)模型圖

由于巷道小，結(jié)構(gòu)對整個頂板的大結(jié)構(gòu)而言，影響力可以忽略。將模型簡化，如圖3所示。

圖3 密實充填沿空留巷力學(xué)模型圖(簡化)

根據(jù)Winkler彈性地基梁假設(shè)：地基表面任意一點的沉降與該點單位面積上所受的壓力成正比

p=k2ω

(1)

(2)

式中，k2為地基系數(shù)；σ0為原巖應(yīng)力；e為充實率；h為采高。

通過受力分析，得出頂板撓度關(guān)系式

(3)

對上述方程進行求解，可以得出撓度方程為：

φ3-

(4)

由式(4)可知，固體密實充填充填體的彈性地基模量，隨著充實率的增加而加大。充實率對頂板下沉有直接影響，所以影響充填采煤沿空留巷圍巖變形的關(guān)鍵因素之一是充實率。

3 充實率與沿空留巷圍巖應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

3.1 數(shù)值分析模型

為了解充實率對沿空留巷圍巖的影響關(guān)系，采用離散元數(shù)值模擬軟件UDEC，分別對固體密實充填充實率為40%、60%、85%、90%時進行模擬，分析充實率對沿空留巷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響。采用的巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層參數(shù)表

建立相應(yīng)的數(shù)值分析模型，如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬模型圖

3.2 模擬結(jié)果分析

模擬得到巷道頂?shù)装逡平咳鐖D5所示，兩幫移近量如圖6所示，巷旁充填體的最大垂直應(yīng)力變化如圖7所示。

圖5 巷道頂?shù)装逡平孔兓€

圖6 巷道兩幫移近量變化曲線

圖7 巷旁充填體最大垂直應(yīng)力變化曲線

通過對固體密實充填沿空留巷充不同充實率時的模擬計算，得出矸石墻中最大下沉位移，在充實率分別為40%、60%、85%和90%時，分別為1151mm、541mm、100mm和72mm；最大水平位移分別為1340mm、1072mm、102mm、59mm；最大垂直應(yīng)力分別為11.83MPa、9.3MPa、7.5MPa、5.2MPa。

由此可知，提高充實率能有效控制巷道圍巖變形，同時能改善圍巖應(yīng)力場分布特征，降低沿空留巷承載力，從而減小留巷難度。當(dāng)采空區(qū)充實率達到85%時，沿空留巷巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?6mm，兩幫最大移近量為128mm。

4 工程應(yīng)用

4.1 沿空留巷支護方案

皖北煤電五溝礦為了提高開采上限，采用了綜合機械化矸石充填采煤技術(shù)，CT101工作面為首個充填工作面，面長約為100m。其主采煤層為10煤，埋深301～326m，煤層傾角6°，煤層厚度3.5m，一次采全高。直接頂板為淺灰色粉、細砂巖，厚約5.8m；直接底板為泥巖，含碳質(zhì)，厚約1m；老底為條帶狀粉細砂巖(互層)，厚約8.22m。

為了提高煤炭采出率，在保證采空區(qū)充實率達到85%條件下，采用了“壘砌矸石墻+錨栓”沿空留巷支護方案，其中，巷旁壘砌矸石墻寬度為3000mm，高度接頂接底，并使用規(guī)格為Φ20mm×3300mm雙頭螺紋式錨桿加網(wǎng)、鋼筋梯和鋼帶進行固定。

4.2 應(yīng)用效果

五溝煤礦充填面自開采以來，共計推進約200m，為了驗證充填采煤面沿空留巷的效果，在工作面開采期間，對工作面后方巷道變形進行了監(jiān)測，實測結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，在工作面剛推過時，兩幫移近量較大，在0～10m范圍內(nèi)變形速度較大，最高達到12mm/d，其后迅速減?。?0m以后，矸石墻基本沒有變形，其總的變形量不超過120mm。

圖8 留巷期間工作面后方巷道變形

5 結(jié)論

1)基于固體密實充填采煤原理，建立了沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，通過分析得出，充實率是影響頂板下沉的關(guān)鍵因素。而控制頂板下沉，保證圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是沿空留巷成功的前提。

2)通過數(shù)值模擬，分析不同充實率情況下固體密實充填采煤沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，得出在原有支護方案不變時，充實率的增大能有效控制沿空留巷變形，和矸石墻承受的支撐力。

3)錨桿、鋼帶、鋼筋梯梁及金屬網(wǎng)的組合支護技術(shù)對巷旁充填體實施加固，可提高充填體的整體強度、穩(wěn)定性及抗變形能力。

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