沿空留巷巷旁支護(hù)體穩(wěn)定性及圍巖控制技術(shù)

李保順，龍 軍，李幸宇

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司二礦，河南平頂山467000;2.四川煤田地質(zhì)研究院，四川成都611331)

沿空留巷巷旁支護(hù)體穩(wěn)定性及圍巖控制技術(shù)

李保順1，龍 軍2，李幸宇1

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司二礦，河南平頂山467000;2.四川煤田地質(zhì)研究院，四川成都611331)

Stability and Control Technology of Roadway-side Supporting Body in Retaining Roadway along Gob

沿空留巷巷旁支護(hù)體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)系著整個(gè)沿空巷道支護(hù)體系的系統(tǒng)可靠性。在分析平頂山天安煤業(yè)股份有限公司二礦 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)平煤股份二礦)生產(chǎn)地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了高水速凝材料構(gòu)筑巷旁支護(hù)體在不同水灰比和寬度條件下的變形特征及應(yīng)力分布規(guī)律，分析了在經(jīng)濟(jì)合理的條件下充填體力學(xué)性能對(duì)支護(hù)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有顯著影響，支護(hù)體寬度存在一個(gè)合理的取值范圍?，F(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明選取的力學(xué)參數(shù)合理，巷旁支護(hù)體變形量較小，實(shí)現(xiàn)了沿空留巷的圍巖穩(wěn)定。

沿空留巷;巷旁支護(hù);圍巖控制;數(shù)值模擬

沿空留巷是在工作面回采過(guò)程中，通過(guò)有效的巷旁支護(hù)和巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)，將本工作面的回采巷道保留下來(lái)，作為鄰近工作面的一條回采巷道使用。巷旁支護(hù)作為沿空留巷的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，客觀要求其具有足夠的支護(hù)阻力、能夠適應(yīng)大變形，同時(shí)具有低成本的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的巷旁支護(hù)如木垛、矸石、密集木支柱以及混凝土塊等因其自身力學(xué)性質(zhì)成為長(zhǎng)期以來(lái)制約沿空留巷技術(shù)應(yīng)用的主要因素［1－3］，使得沿空留巷只能在一些條件相對(duì)較好的薄及中厚煤層中應(yīng)用。針對(duì)傳統(tǒng)巷旁支護(hù)存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研院所開(kāi)展了大量新材料的研究開(kāi)發(fā)工作，最終研制成功高水速凝材料作為巷旁充填材料［4］，有效地改善了沿空留巷巷旁支護(hù)體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但是目前關(guān)于高水速凝材料構(gòu)筑巷旁充填體的具體參數(shù)少有研究，有必要對(duì)影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的相關(guān)參數(shù)展開(kāi)系統(tǒng)詳細(xì)的研究。

1 工程地質(zhì)條件

平煤股份二礦庚20－F23070采煤工作面位于二礦庚三采區(qū)中部東側(cè)，采深375～465m，可采走向長(zhǎng)577～588m，主采庚20煤層，傾角7～12°，煤層含2層夾矸，屬?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)煤層。中上層夾矸0～0.3m，下層夾矸0.4～1.6m，2層夾矸合計(jì)平均厚0.7m，對(duì)開(kāi)采煤質(zhì)影響較大。煤層為肥煤、末狀。工作面位置關(guān)系見(jiàn)圖1所示。

圖1 工作面位置關(guān)系

試驗(yàn)巷道斷面為倒梯形，原巷道寬4.7m，中線高度3m。頂板為深灰色厚層狀石灰?guī)r，平均厚2.3m，局部裂隙發(fā)育，堅(jiān)硬性脆，其上為1.25～2m的灰色砂質(zhì)泥巖，質(zhì)地較硬，再上為0.9m厚的庚19煤層，松軟，底板為灰色砂質(zhì)泥巖，平均厚6.5m，其下為石灰?guī)r，平均厚11.6m。機(jī)巷原支護(hù)形式為頂板采用20mm×2000mm建筑螺紋鋼等強(qiáng)錨桿支護(hù)、兩幫采用20mm×2000 mm管縫式錨桿支護(hù)、兩幫鋪設(shè)了菱形金屬網(wǎng)，巷道斷面及支護(hù)如圖2所示。

2 數(shù)值模擬模型的建立

圖2 庚20－F23070工作面機(jī)巷支護(hù)

為了詳細(xì)分析沿空留巷巷旁充填墻體對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，根據(jù)平煤股份二礦庚20－F23070工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立相應(yīng)的數(shù)值力學(xué)分析模型，如圖3所示。將巷道兩側(cè)10m范圍內(nèi)的煤體劃分為0.5m×0.25m(寬×高)的網(wǎng)格;巷道頂板劃分為0.5m×0.25m(寬×高)的網(wǎng)格;巷道底板劃分為0.5m×0.25m(寬×高)的網(wǎng)格，上覆巖層及下覆巖層劃分為1.0m×0.25m(寬×高)的網(wǎng)格。計(jì)算模型尺寸為長(zhǎng)×寬=180m×61m，上邊界載荷按采深400m計(jì)算，底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定，巷道寬×高=4.5m× 3.0m。

圖3 數(shù)值計(jì)算力學(xué)模型

材料本構(gòu)模型為摩爾－庫(kù)侖模型。由于巷道圍巖局部進(jìn)入峰后塑性變形階段，具有應(yīng)變軟化性能，模擬充填體部分采用應(yīng)變軟化模型。

數(shù)值模擬中各巖層、煤層的力學(xué)參數(shù)通過(guò)庚20－F23070機(jī)巷以往相關(guān)力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)合礦井已有地質(zhì)資料，最終得到各巖層以及結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 塊體力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為探討巷旁充填沿空留巷頂板的穩(wěn)定性與充填墻體的強(qiáng)度和幾何尺寸的關(guān)系，根據(jù)平煤股份二礦庚20－F23070工作面采高情況和高水速凝材料的特性，利用FLAC數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)不同水灰比和充填墻體寬度展開(kāi)研究，具體方案見(jiàn)表2，高水速凝材料不同水灰比條件下力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表2 數(shù)值計(jì)算方案

表3 高水速凝材料凈漿單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)

3.1 充填體強(qiáng)度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

模型1，2，3的充填體寬度均為2.0m，模型1，2，3的水灰比分別為2.5∶1，2.0∶1，1.5∶1。

為研究不同充填體強(qiáng)度對(duì)沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的影響，對(duì)沿空巷道側(cè)和充填體側(cè)圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖4～圖6所示，其中測(cè)點(diǎn)1，2，3，4，5，6，7分別對(duì)應(yīng)巷道底板、頂板、實(shí)煤體幫、充填體內(nèi)側(cè)、充填體下部底板、充填體上方頂板、充填體外側(cè)。

圖4 模型1的巷道圍巖變形曲線

模型1 當(dāng)計(jì)算到17645步時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)因?yàn)槌涮铙w的失穩(wěn)而失穩(wěn)。充填體在形成初期，充填體上承受的載荷很小，最終垂直方向上應(yīng)力平均值上升到19MPa，之后劇烈上升到21MPa。由于充填體具有塑性軟化特性，進(jìn)入塑性變形階段后，其抗變形性能略微降低，由21MPa降低到17MPa。

圖5 模型2的巷道圍巖變形曲線

圖6 模型3的巷道圍巖變形曲線

在充填體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)，巷道變形量占到充填體總寬度的接近3/5，此時(shí)充填體已經(jīng)無(wú)法承受橫向過(guò)大的應(yīng)變，與此同時(shí)，充填體的橫向過(guò)大變形致使巷道實(shí)際面積嚴(yán)重減小，無(wú)法滿(mǎn)足正常的通風(fēng)行人要求。由此可知，在該巷道寬度 (2.0m)，模型1選用的水灰比條件下充填體強(qiáng)度不能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要。

模型2 當(dāng)計(jì)算到14821步時(shí)，整個(gè)支護(hù)－圍巖系統(tǒng)最終穩(wěn)定下來(lái)，充填體并未出現(xiàn)失穩(wěn)變形。通過(guò)與模型1比較，雖然充填體寬度相同，但兩者的圍巖控制效果相差很大。充填體兩幫移近量減少近200mm，巷道頂板下沉量減少近70mm。模型1充填體在頂板劇烈活動(dòng)后很快失穩(wěn)，而模型2中的充填體是穩(wěn)定的。模型2充填體內(nèi)側(cè)變形656mm，可以保證正常的巷道通風(fēng)行人要求，整體圍巖控制效果較好。

模型3 當(dāng)計(jì)算到15897步時(shí)，整個(gè)支護(hù)－圍巖系統(tǒng)保持穩(wěn)定狀態(tài)，充填體以穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形態(tài)存在。通過(guò)與模型2比較，充填體內(nèi)側(cè)移近量減少近136mm，充填體外側(cè)移近量減少近141mm，巷道頂板下沉量減少36mm，實(shí)體煤幫位移減少15mm。充填體整體變形量占充填體寬度30%左右，保持在正常的變形范圍內(nèi)。

可以看出充填材料的力學(xué)性能對(duì)沿空留巷的圍巖控制作用是十分明顯的。水灰比越小，高水速凝材料的力學(xué)性質(zhì)越大，對(duì)圍巖控制效果越明顯。

3.2 充填體寬度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

模型3，4，5，6的水灰比均為1.5∶1，模型3，4，5，6的寬度分別為 2.0m，1.5m，2.5m，3.0m。不同充填體寬度條件下巷道圍巖變形狀況如圖7所示，巷道圍巖變形量見(jiàn)表4所示。

表4 不同充填體寬度條件下巷道圍巖變形量

綜合模型3，4，5，6的模擬可以看出，充填體的寬度過(guò)小和水灰比過(guò)大都會(huì)嚴(yán)重影響沿空留巷的護(hù)巷效果。由充填體的失穩(wěn)狀況可以看出，充填體寬度為2.0m，水灰比為1.5∶1時(shí)能夠保證較好的圍巖控制效果。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將以上確定的參數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，觀測(cè)結(jié)果表明本文的設(shè)計(jì)是可行的。圖8、圖9為工作面后方充填體縱向變形與工作面距離的關(guān)系。

由圖8，圖9可見(jiàn)，巷旁支護(hù)體縱向變形是巷旁支護(hù)體與圍巖相互作用關(guān)系在巷旁支護(hù)體上的反映，與圍巖變形規(guī)律基本一致，可分為4個(gè)階段:

圖7 不同充填體寬度條件下巷道圍巖變形

第1階段 －5～－10m，因弧形三角塊保護(hù)，頂板下沉量小，支護(hù)體承受載荷小，且巷旁支護(hù)體有一定的早期支護(hù)阻力，因而充填體的縱向變形量與巷道變形量相比要小，且變形速度相對(duì)較慢。

圖8 工作面后方充填體縱向變形與工作面距離的關(guān)系

圖9 工作面后方充填體縱向變形速度與工作面距離的關(guān)系

第2階段 －10～－60m，在這一階段，頂板活動(dòng)開(kāi)始劇烈，頂?shù)装逡平恳约耙平俣乳_(kāi)始加大，支護(hù)體承受載荷增加，充填體變形加劇。此范圍內(nèi)，支護(hù)體既要能適應(yīng)上位巖層下沉變形，又要能控制上位巖層間不要離層，這就要求巷旁充填體具有很好的可縮性能。

第3階段 －60～－80m，在這一范圍內(nèi)，圍巖活動(dòng)漸緩，充填體變形速度迅速下降。

第4階段 －80m以后，巷旁支護(hù)體變形隨圍巖活動(dòng)穩(wěn)定而趨于穩(wěn)定，縱向變形速度均降至0.4mm/d以下。

5 結(jié)論

充填體材料的力學(xué)性能對(duì)沿空留巷的護(hù)巷效果影響大，其次是充填體的寬度。沿空留巷充填體充填材料的水灰比應(yīng)該控制在2∶1以下，充填體合理寬度應(yīng)該在2.0m以上。最終確定合理的水灰比為1.5∶1;充填體寬度為2.0m;當(dāng)水灰比為1.5∶1，充填體寬度為2.0m情況下，充填體是穩(wěn)定的，其巷道頂板下沉達(dá)到 346mm，煤幫位移26mm，有效地控制了沿空留巷的圍巖變形。

［1］趙紅超，陳 勇.沿空留巷整體澆筑護(hù)巷帶圍巖控制技術(shù)［J］.煤礦開(kāi)采，2011，16(3):95－97.

［2］孫恒虎，趙炳利.沿空留巷的理論與實(shí)踐［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1993.

［3］郭育光，柏建彪，侯朝炯.沿空留巷巷旁充填體主要參數(shù)研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992(4):1－11.

［4］柏建彪，周華強(qiáng)，侯朝炯，等.沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)的發(fā)展［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33(2):183－186.

［責(zé)任編輯:姜鵬飛］

TD353

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1006-6225(2012)04-0066-04

2012－02－10

李保順 (1964－)，男，河南扶溝人，工程師，總辦室首席工程師，一直從事煤礦井下施工的技術(shù)和管理工作。