薄層頂板沿空留巷巷旁充填體合理寬度研究

賈曉亮，廉常軍，陳　勇，劉學(xué)勇

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；

3.兗州礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)寧 273500)

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薄層頂板沿空留巷巷旁充填體合理寬度研究

賈曉亮1，廉常軍1，陳勇2，劉學(xué)勇3

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；

3.兗州礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)寧 273500)

[摘要]以中興煤礦1204下工作面材料平巷沿空留巷為工程背景，應(yīng)用理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方法研究了沿空留巷薄層頂板的穩(wěn)定性，分析了不同充填體寬度對充填體應(yīng)力的影響規(guī)律和圍巖變形破壞特征，得到了1204下工作面材料平巷沿空留巷巷旁充填體載荷以靜載荷為主，動(dòng)載荷為輔，冒落帶高度為15.4m，裂縫帶高度為49.2m的結(jié)論，確定了合理的充填體寬度為2.5m?，F(xiàn)場實(shí)踐表明，這種方法確定的充填體寬度使沿空留巷圍巖穩(wěn)定性較好。

[關(guān)鍵詞]薄層頂板；沿空留巷；充填體寬度；留巷載荷

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.017

[引用格式]賈曉亮，廉常軍，陳勇，等.薄層頂板沿空留巷巷旁充填體合理寬度研究[J].煤礦開采，2015，20(5)：62-65.

沿空留巷作為一種無煤柱護(hù)巷方式，具有以下優(yōu)勢[1-2]：Y型通風(fēng)，治理工作面隅角瓦斯超限難題；為抽采采空區(qū)瓦斯和鄰近層卸壓瓦斯提供作業(yè)空間，治理瓦斯災(zāi)害；重復(fù)使用，緩解采掘接替矛盾；不留煤柱，避免頂?shù)装鍛?yīng)力集中，保障安全生產(chǎn)。目前，沿空留巷技術(shù)在保障高瓦斯礦井安全高效生產(chǎn)，突出礦井保護(hù)層開采區(qū)域防突等方面具有明顯的優(yōu)勢，在淮南、淮北、潞安等礦區(qū)得到大力推廣應(yīng)用。而極近采空區(qū)下沿空留巷由于薄層頂板穩(wěn)定性差、留巷上覆巖層活動(dòng)范圍大，致使留巷載荷計(jì)算困難、充填體寬度設(shè)計(jì)不合理，留巷成本高昂且維護(hù)困難。

本文以中興煤礦1204下工作面材料平巷沿空留巷為工程背景，使用高水速凝材料構(gòu)筑巷旁充填體，對薄層頂板沿空留巷上覆巖層的穩(wěn)定狀況和充填體合理寬度展開研究。

1地質(zhì)采礦條件

中興煤礦1204下工作面埋深為400m，開采2號下煤層，工作面上方3m處是2號上煤層的采空區(qū)，間隔巖層為砂質(zhì)頁巖(針對2號下煤層而言，稱為薄層頂板)，煤層平均傾角6°。2號上煤層不易自燃，平均厚度2.0m，直接頂為炭質(zhì)泥巖、平均厚度7.9m，基本頂為中粒砂巖、平均厚度4.4m；2號下煤層不易自燃，平均厚度2.0m，直接底為泥巖砂巖復(fù)合層，平均厚度4.1m。

1204下工作面在回采期間的絕對瓦斯涌出量為9.6m3/min，在材料平巷進(jìn)行薄層頂板沿空留巷實(shí)踐，構(gòu)筑Y形通風(fēng)，治理工作面瓦斯超限問題。圖1為1204下工作面平面布置圖。

圖1　1204下工作面平面布置

2薄層頂板沿空留巷上覆巖層穩(wěn)定性分析

2號上煤層回采工作面推進(jìn)過程中，底板巖層在超前支承壓力加載和近工作面采空區(qū)卸載作用下，發(fā)生一定深度的剪切滑移破壞，這一過程類似于地基基礎(chǔ)的破壞形式。據(jù)此構(gòu)建底板破壞模型如圖2[3]所示。

圖2　2號上煤層底板破壞模型

則：

(1)

(2)

式中，L依據(jù)現(xiàn)場測量取6.3m，φ依據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試取30°。

將參數(shù)代入式(2)，可以得到Hmax=9.92m。2號上煤層底板最大破壞深度約為薄層頂板厚度的3.3倍，薄層頂板位于2號上煤層底板破壞區(qū)域淺部，巖體剪切滑移劇烈，裂隙發(fā)育，承載能力差。

由此分析，2號下煤層回采過程中，2號上煤層冒落帶矸石隨薄層頂板同步垮冒，同時(shí)冒落帶上移，裂縫帶砌體梁鉸接結(jié)構(gòu)在更高層位重新穩(wěn)定，工作面支架和沿空留巷支護(hù)體載荷基本上處于靜載狀態(tài)。

2號上煤層和2號下煤層的開采由此可以近似為厚煤層分層開采[4-5]。依據(jù)《三下開采規(guī)程》[6]，2號下煤層開采后，重新形成的采空區(qū)冒落帶高度為式(3)，重新形成的采空區(qū)裂縫帶高度為式(4)。

(3)

(4)

式中，ΣM為2號上和2號下煤層合計(jì)厚度，取4m。

將ΣM代入式(3)，(4)得：冒落帶為8.4~12.8m；裂縫帶為34.4~45.6m。結(jié)合關(guān)鍵層分層理論[7]，依據(jù)中興煤礦煤系巖層柱狀圖進(jìn)行分析計(jì)算，最終確定新冒落帶高度為15.4m，新裂縫帶高度為49.2m。

3薄層頂板沿空留巷巷旁充填體寬度研究

巷旁充填體采用中國礦業(yè)大學(xué)研制的高水速凝材料構(gòu)筑，水灰比為1.5∶1。

3.1　巷旁充填體寬度的理論計(jì)算

2號下煤層工作面推進(jìn)過程中，采空區(qū)冒落帶發(fā)育充分，矸石碎脹充滿采空區(qū)；上位新砌體梁受矸石支撐充分，受力均勻，不易受充填體作用發(fā)生二次破斷，充填體主要承受上覆軟弱巖層自重載荷，靜載特征顯著。借鑒郭育光教授構(gòu)建的沿空留巷力學(xué)模型[8]，構(gòu)建薄層頂板沿空留巷力學(xué)模型如圖3所示。

圖3　薄層頂板沿空留巷力學(xué)模型

模型中：q為沿空留巷上覆載荷巖層單位長度自重；Pq為巷旁充填體支承力；qy為沿空留巷實(shí)煤體幫支承應(yīng)力；x0為沿空留巷實(shí)煤體幫極限平衡區(qū)寬度；c為沿空留巷寬度；d為巷旁充填體寬度。

對模型做如下簡化：煤層水平賦存；沿空留巷上覆載荷q等同2號下煤層開采后新裂縫帶高度范圍內(nèi)巖層單位長度自重；忽略新裂縫帶巖層受鉸接支撐作用。

對模型進(jìn)行力學(xué)計(jì)算得：

pq=k0q(x0+c+d)-∫0x0qydx

(5)

(6)[9]

式中，k0為沿空留巷載荷動(dòng)載系數(shù)；C0，φ0分別為煤層與頂?shù)装鍘r層交界面的黏聚力和內(nèi)摩擦角；Px為支架對煤幫的支護(hù)阻力；A為側(cè)壓系數(shù)；m為上下煤層累計(jì)采高；r為上覆巖層平均容重；k為應(yīng)力集中系數(shù)；HL為開采深度。

3.2　巷旁充填體寬度的數(shù)值模擬

3.2.1模擬方案

依據(jù)中興煤礦1204下工作面地質(zhì)采礦條件和各煤巖層力學(xué)特征，建立FLAC3D數(shù)值模型。模型尺寸為180m×120m×100m(長×寬×高)；模型四周邊界水平方向固定，下邊界垂直方向固定；依據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，在上邊界均勻施加9.25MPa的垂直壓應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)取1.23。

巷旁充填體寬度分別取1m，1.5m，2m，2.5m，3m，4m。模擬時(shí)：首先進(jìn)行2號上煤層回采；待模型應(yīng)力調(diào)整平衡后進(jìn)行1204下工作面的分步回采，一次回采5m，同時(shí)緊跟回采面構(gòu)筑巷旁充填體，一次構(gòu)筑5m長；回采完畢后待模型應(yīng)力調(diào)整平衡，在回采面推進(jìn)方向60m處做平行于采煤面的切面，取充填體垂直應(yīng)力分布數(shù)據(jù)和沿空留巷圍巖變形數(shù)據(jù)。

3.2.2充填體垂直應(yīng)力分析

圖4為不同寬度充填體橫向的垂直應(yīng)力分布。

圖4　充填體橫向垂直應(yīng)力分布曲線

由圖4可知：

(1)充填體寬度在1.0~2.0m時(shí)，垂直應(yīng)力呈三角形分布，最大峰值應(yīng)力為9.1MPa；充填體寬度在2.5~4.0m時(shí)，垂直應(yīng)力呈梯形分布，最小峰值應(yīng)力為11.5MPa。

(2)隨充填體寬度增加，峰值應(yīng)力呈階段性分布。充填體寬度小于2.5m時(shí)，峰值應(yīng)力增加幅度為26.6%~57.8%；充填體寬度大于2.5m時(shí)，峰值應(yīng)力增加幅度為6.1%~8.3%。

3.2.3沿空留巷圍巖變形分析

圖5為構(gòu)筑不同寬度巷旁充填體時(shí)，沿空留巷圍巖變形。

由圖5可知：

圖5　不同寬度充填體沿空留巷圍巖變形曲線

(1)充填體寬度小于1.5m時(shí)，頂板傾斜下沉嚴(yán)重，此時(shí)充填體側(cè)頂板下沉量比實(shí)煤體側(cè)頂板下沉量大208mm；充填體寬度大于2m時(shí)，頂板逐漸趨于同步下沉，下沉量逐漸減小。

(2)充填體寬度增大，底板鼓起量隨之增大；當(dāng)充填體寬度為2.5m時(shí)，底板呈現(xiàn)同步鼓起。

(3)充填體寬度小于2.5m時(shí)，兩幫的變形量變化幅度平均為17.2%；充填體寬度大于2.5m時(shí)，兩幫的變形量幅度平均為8.3%。

3.3　巷旁充填體合理寬度

理論計(jì)算表明，充填體寬度應(yīng)為2.32m以上。數(shù)值模擬研究表明，充填體寬度大于2.5m時(shí)，充填體中具有穩(wěn)定承載區(qū)，頂板和兩幫變形量明顯減小、變形幅度平緩；但只有充填體寬2.5m時(shí)，底板同步鼓起，有利于運(yùn)輸系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。由此確定合理的充填體寬度為2.5m。

4工程實(shí)踐

中興煤礦1204下工作面材料平巷斷面尺寸為4.5m×2.5m(寬×高)，采用高水速凝材料構(gòu)筑巷旁充填體沿空留巷，水灰比為1.5∶1，充填體寬2.5m，高2.5m(為增強(qiáng)充填體剛度，將底板松軟破碎層起除，約厚0.5m)。

礦壓監(jiān)測表明：一次采動(dòng)作用下，留巷圍巖變形平穩(wěn)，到工作面后方130m左右趨于穩(wěn)定；穩(wěn)定后頂?shù)装逡平繛?04mm，底鼓量占77%，兩幫移近量為421mm，充填體幫變形量占68%；并且底板同步鼓起，運(yùn)輸系統(tǒng)安全運(yùn)行。

5結(jié)論

(1)2號上煤層回采使薄層頂板發(fā)生劇烈剪切滑移破壞，致使2號下煤層回采時(shí)，薄層頂板和2號上煤層冒落帶矸石同步垮冒，采空區(qū)冒落帶和裂縫帶重新發(fā)育，分別達(dá)到15.4m，49.2m。

(2)通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬研究確定合理充填體寬度為2.5m。

(3)礦壓觀測表明，采用2.5m寬充填體時(shí)，頂?shù)装逡平繛?04mm，底板鼓起量占77%，底板同步鼓起；兩幫移近量為421mm，充填體幫占68%。沿空留巷圍巖維護(hù)效果較為理想。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]張百勝.極近距離煤層開采圍巖控制理論及技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2008.

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[6]國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

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[8]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].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992(4)：1-11.

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]

Rational Width of Stowing Body for Retaining Roadway along Gob under Thin Roof

JIA Xiao-liang1，LIAN Chang-jun1，CHEN Yong2，LIU Xue-yong3

(1.Chongqing Research Institute Co.，Ltd.,China Coal Technology Engineering Group，Chongqing 400037，China； 2.Mining Engineering School，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China； 3.Yanzhou Mining Group Co.，Ltd.,Jining 273500，China)

Abstract：Applying theoretical calculation and numerical simulation to researching stability of thin roof over retaining roadway along gob in 1204 mining face of Zhongxing Colliery，influence of different stowing body widths on stress distribution，deformation and failure characteristic was analyzed.It was obtained that the load of stowing body was mainly statistic load，and that caving zone height and fissure zone height was respectively 15.4m was 49.2m.Rational stowing body width was confirmed to be 2.5m，and field observation showed that surrounding rock stability was good.

Keywords：thin roof；retaining roadway along gob；width of stowing body；load of retaining roadway

[作者簡介]賈曉亮(1982-)，男，內(nèi)蒙古突泉人，碩士研究生，從事礦井瓦斯災(zāi)害防治成套技術(shù)服務(wù)工作。

[收稿日期]2015-03-06

[中圖分類號]TD350.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0062-04