沿空留巷巷旁矸石墻力學(xué)特性研究

楊鵬飛　于躍　王玉凱(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

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沿空留巷巷旁矸石墻力學(xué)特性研究

楊鵬飛于躍王玉凱
(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

摘 要以某礦三槽西四壁(下)工作面軌道巷巷旁矸石墻為研究對(duì)象,對(duì)矸石墻的承載力和壓縮量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,分析其承載性能。結(jié)果表明:矸石墻承載力為6.7MPa,最大壓縮量為140mm,與傳統(tǒng)剛性支護(hù)相比,矸石墻讓壓變形特性明顯;在滯后工作面35～45m的區(qū)域,矸石墻壓縮量急劇增加。闡述了矸石墻的作用機(jī)理,并建立了頂板－矸石墻結(jié)構(gòu)模型,當(dāng)工程條件確定時(shí),矸石墻所受壓力和頂板下沉量存在定量關(guān)系?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,沿空留巷礦壓顯現(xiàn)平穩(wěn),留巷效果較好。

關(guān)鍵詞沿空留巷 矸石墻 承載力 力學(xué)特性

近年來(lái),隨著無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)的發(fā)展,沿空留巷得到了長(zhǎng)足發(fā)展和廣泛應(yīng)用。巷旁矸石墻支護(hù)理論的研究是沿空留巷技術(shù)的基礎(chǔ)。目前,孫恒虎教授、郭育光教授等相關(guān)學(xué)者在巷旁支護(hù)理論方面進(jìn)行了深入研究。但這些研究成果大多都是從整體支護(hù)體系及頂板運(yùn)動(dòng)的角度進(jìn)行分析的,對(duì)于矸石墻的特性尚缺乏詳細(xì)的研究。為此,本文提出了一種矸石墻承載力的測(cè)試方法,從而對(duì)矸石墻力學(xué)特性進(jìn)行研究,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了相應(yīng)的頂板－巷旁

矸石墻支護(hù)結(jié)構(gòu)模型,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的結(jié)果對(duì)沿空留巷效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1　工程地質(zhì)條件

某煤礦三槽西四壁(下)工作面標(biāo)高為610～625m,地面標(biāo)高為900～1100m,工作面走向長(zhǎng)155m,傾向長(zhǎng)68～85m,平均76m,煤層厚度1.0～2.5 m,平均厚度1.8 m,煤層走向50°～85°,平均70°,煤層傾角3°～20°,平均15°。煤層頂?shù)装遢^為穩(wěn)定,煤層頂?shù)装鍘r性特征見(jiàn)表1。

表1　煤層頂?shù)装鍘r性特征

西四壁(下)工作面正在回采,為了使其軌道巷保留并繼續(xù)服務(wù)西四壁(上)工作面的開(kāi)采,在西四壁(下)工作面采空區(qū)與軌道巷之間用矸石袋構(gòu)筑寬度為1.5m的矸石墻。西四壁采區(qū)工作面平面布置見(jiàn)圖1。

圖1　工作面及測(cè)點(diǎn)布置平面圖

2　矸石墻承載性能測(cè)試

為了研究矸石墻的承載特性及作用機(jī)理,對(duì)矸石墻的承載力和壓縮量進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析。

2.1矸石墻承載力測(cè)試分析

國(guó)內(nèi)外尚缺乏針對(duì)矸石墻承載力測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),本文在底板比壓測(cè)試原理的基礎(chǔ)上,提出了一種矸石墻承載力的測(cè)試方法并設(shè)計(jì)了該測(cè)試系統(tǒng)。此系統(tǒng)如圖2所示,系統(tǒng)包括單體液壓支柱、測(cè)壓表、帶有焊接圓圈的鋼板。利用該系統(tǒng)對(duì)西四壁(下)工作面軌道巷矸石墻承載力進(jìn)行測(cè)試,首先將準(zhǔn)備好的鋼板放在堆砌的矸石墻上,將單體液壓支柱安置在焊接好的圓圈內(nèi),然后對(duì)單體液壓支柱補(bǔ)液,直至與頂板接觸,使單體液壓支柱具有一定的初撐力。待儀器安設(shè)好,記錄壓力表與壓入深度的原始讀數(shù),再對(duì)單體液壓支柱補(bǔ)液使其按一定增量伸長(zhǎng)(每次遞增20mm),并記錄兩次壓力表與支柱伸長(zhǎng)度的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖2　矸石墻承載力測(cè)試系統(tǒng)示意圖

矸石墻承載力和壓縮量的變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出,隨著壓縮量的增大,矸石墻承載力先增大后減小。峰值強(qiáng)度之前,承載力增長(zhǎng)率逐漸增大,接近峰值強(qiáng)度時(shí),增長(zhǎng)率趨于平緩,峰值后,隨壓縮量增加,承載力逐漸減小。兩次測(cè)試分別在矸石墻的壓縮量達(dá)到180mm、120mm 時(shí),承載力達(dá)到峰值6.5MPa、6.9MPa。取兩次測(cè)量結(jié)果的平均值6.7 MPa表征矸石墻的極限承載力。與剛性支護(hù)的承載力相比,矸石墻的承載力較小,起到了讓壓的作用。

圖3　矸石墻承載力的變化情況

2.2矸石墻壓縮量測(cè)試分析

采空區(qū)頂板斷裂后,維持巷道穩(wěn)定的主要承載體僅為矸石墻,導(dǎo)致工作面后續(xù)推進(jìn)過(guò)程中,矸石墻變形愈加嚴(yán)重。圖4為工作面軌道巷矸石墻壓縮量隨西四壁(下)工作面推進(jìn)變化情況。

圖4　矸石墻壓縮量隨工作面推進(jìn)變化情況

從圖4可以看出,隨著工作面的推進(jìn),矸石墻的壓縮變化趨勢(shì)可分為4個(gè)階段:微量增加段、緩慢增加段、快速增加段、平穩(wěn)不變段。微量增加段是在工作面后方10～20m處,矸石墻壓縮量增加趨勢(shì)較小,矸石壓縮量不明顯;緩慢增加段在工作面后方20～35 m處,矸石墻壓縮量近似線性增加;快速增加段在工作面后方35m以外,巖層處于不穩(wěn)定狀態(tài),運(yùn)動(dòng)較為劇烈,壓縮量也急劇增加;平穩(wěn)不變段:隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn),壓縮量繼續(xù)增加,當(dāng)壓縮量達(dá)到140mm左右時(shí),其壓縮量開(kāi)始保持不變進(jìn)入平穩(wěn)不變段。

隨著工作面不斷推進(jìn),矸石墻的變形量呈非線性快速增長(zhǎng)趨勢(shì),與傳統(tǒng)剛性支護(hù)效果相比,讓壓變形特性更加明顯。另外,在滯后工作面35～45m的區(qū)域,矸石墻壓縮量急劇增加,為避免矸石墻失去承載作用,需加大對(duì)此區(qū)域內(nèi)矸石墻的維護(hù)。

3　沿空留巷矸石墻作用機(jī)理

3.1頂板－矸石墻相互作用機(jī)理

沿空留巷支護(hù)體系中,頂板－矸石墻相互作用充分發(fā)揮了矸石墻的柔性支護(hù)特點(diǎn)和頂板的自身承載能力。如圖5所示,隨著工作面的推進(jìn),頂板巖層運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生3個(gè)階段的變化,分別為垮落區(qū)形成階段、基本頂破斷階段和錯(cuò)動(dòng)離層帶形成階段。在頂板巖層運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,其自身形成了4個(gè)區(qū)域:I垮落區(qū)、II煤壁支撐區(qū)、III破斷區(qū)、IV錯(cuò)動(dòng)離層區(qū)。

(1)垮落區(qū)形成階段。頂板在垮落區(qū)形成階段以旋轉(zhuǎn)下沉為主,來(lái)壓強(qiáng)度較小,矸石墻在此階段的承載力和壓縮量均處于較低水平,錨桿起到了主要承載作用。矸石墻在此階段雖然不是主要承載結(jié)構(gòu),但與錨桿共同作用承擔(dān)巷道上方直接頂及其懸臂部分巖層的主要重量,緩解了巷內(nèi)支護(hù)的壓力,增加了直接頂?shù)淖苑€(wěn)能力。

(2)基本頂破斷階段?；卷敯l(fā)生破斷、失穩(wěn),回轉(zhuǎn)下沉劇烈。在基本頂運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定之前,矸石墻應(yīng)具有足夠的可縮量以適應(yīng)基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn),通過(guò)適當(dāng)?shù)南驴s讓壓,充分發(fā)揮圍巖的承載能力。同時(shí),矸石墻還應(yīng)具有足夠的輔助支護(hù)阻力參與頂板運(yùn)動(dòng)及平衡,以縮短過(guò)渡期頂板劇烈活動(dòng)的時(shí)間,避免留巷頂板下沉量過(guò)大。

(3)錯(cuò)動(dòng)離層帶形成階段?；卷斠研纬煞€(wěn)定結(jié)構(gòu),煤壁支撐區(qū)的承載應(yīng)力逐漸增大,與矸石墻、巷旁輔助支護(hù)、巷內(nèi)支護(hù)形成統(tǒng)一的支護(hù)體系,保證巷道圍巖的穩(wěn)定,此時(shí),矸石墻的支護(hù)阻力為冒落帶相應(yīng)范圍內(nèi)巖層的重量,所以,矸石墻在保持巷內(nèi)穩(wěn)定仍然起到不可或缺的作用。

圖5　頂板－矸石墻作用機(jī)理示意圖

3.2頂板－矸石墻結(jié)構(gòu)模型

隨著回采工作面的推進(jìn),巷旁充填工程連續(xù)實(shí)施。矸石墻的承載作用與沿空留巷側(cè)向頂板運(yùn)移規(guī)律緊密聯(lián)系。根據(jù)頂板－矸石墻相互作用機(jī)理建立頂板－矸石墻結(jié)構(gòu)模型,如圖6所示。由于矸石墻與直接頂在垂直方向相互作用,所以矸石墻與直接頂?shù)拇怪睉?yīng)力皆為σ。

圖6　沿空留巷頂板－矸石墻結(jié)構(gòu)模型示意圖

根據(jù)頂板下沉的變形協(xié)調(diào)關(guān)系分析可得,基本頂下沉量計(jì)算:

基本頂斷裂之后,矸石墻和直接頂在基本頂壓力作用下下縮沉降,基本頂回轉(zhuǎn)下沉,由此可知,基本頂下沉量由矸石墻下縮量、直接頂下縮量和矸石墻欠接頂高度組成。即:

式中:Δh——基本頂下沉量;

h——基本頂?shù)降装宓木嚯x;

h1——基本頂回轉(zhuǎn)后的觸矸高度;

h2——矸石墻欠接頂高度;

b——矸石墻高度;

εa——矸石墻的縱向應(yīng)變;

εb——直接頂?shù)目v向應(yīng)變;

m——割煤高度。

由廣義胡克定律可知,矸石墻和直接頂?shù)膽?yīng)力應(yīng)變滿足以下關(guān)系:

式中:Ea——矸石墻的彈性模量;

Eb——直接頂?shù)膹椥阅Ａ俊?/p>

聯(lián)立式(1)(2)(3)可得:

從式(4)可以看出,當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工程條件確定時(shí),矸石墻承載力的變化與頂板下沉量存在定量關(guān)系。

4　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)選擇＋570m水平六石門三槽西四壁(下)工作面的軌道巷作為礦壓監(jiān)測(cè)巷道,隨著工作面的回采在軌道巷內(nèi)采用矸石袋充填進(jìn)行沿空留巷。軌道巷全長(zhǎng)160m左右,共布設(shè)8個(gè)測(cè)區(qū),從下壁面切眼開(kāi)始每隔20m布置一個(gè)測(cè)區(qū),編號(hào)依次為1、2、3…、8。具體布置情況如圖1所示。

在1～8測(cè)區(qū)內(nèi)布置頂?shù)装逡平?、兩幫移近量測(cè)點(diǎn),在2測(cè)區(qū)(A)、4測(cè)區(qū)(B)、6測(cè)區(qū)(C)布置頂板離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)及鉆孔攝像測(cè)點(diǎn)。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明頂?shù)装逡平孔畲鬄?15mm,兩幫移近量最大為124 mm,頂板最大離層量為5mm,同時(shí)鉆孔攝像結(jié)果表明頂板破裂帶較少,說(shuō)明在采動(dòng)影響下沿空巷道整體礦壓顯現(xiàn)平穩(wěn),沿空留巷效果較好。

5　結(jié)論

(1)對(duì)矸石墻承載力進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明,矸石墻承載力為6.7MPa,與傳統(tǒng)剛性支護(hù)相比,矸石墻起到了讓壓的作用。

(2)對(duì)矸石墻壓縮量隨工作面推進(jìn)變化規(guī)律進(jìn)行測(cè)試分析,結(jié)果表明在滯后工作面35～45 m 時(shí),矸石墻壓縮量開(kāi)始急劇增加,為確定矸石墻的加強(qiáng)支護(hù)時(shí)機(jī)提供了數(shù)據(jù)參考;矸石墻最大壓縮量達(dá)到了140mm,相比剛性支護(hù),矸石墻支護(hù)具有較大的讓壓變形特性,表現(xiàn)出柔性支護(hù)的特點(diǎn)。

(3)建立頂板－矸石墻結(jié)構(gòu)模型,給出了矸石墻承載力和頂板下沉量之間的定量關(guān)系。

(4)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明沿空留巷礦壓顯現(xiàn)平穩(wěn),頂板破裂帶少,留巷效果較好。

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(責(zé)任編輯張毅玲)

Researchonmechanicalpropertiesofganguewallasidegob-sideentryretaining

YangPengfei,YuYue,WangYukai
(CollegeofResources&SafetyEngineering,ChinaUniversityofMining& Technology, Beijing,Haidian,Beijing100083,China)

AbstractTakingganguewallasidetracktransportationroadwayinlowerNo.4westworkingfaceofNo.3seaminacertainmineasstudyobject,thebearingcapacityandcompressionamountofganguewallweretestedonthesite,anditsload-carryingpropertieswasanalyzed.The resultsshowedthatthebearingcapacityofganguewallwas6.7MPa,thelargestcompressionamountwas140 mm,andcomparedwithtraditionalrigidsupporting,itsyieldingdeformation characteristicswerebetter;intheareabehindtheworkingface35～45m,thecompressionamountoftheganguewallsharplyincreased.Besides,thefunctionmechanismofganguewallwas expoundedandtheroof-ganguewallstructuremodelwasestablished.Whentheengineeringconditionsweredetermined,there wasaquantitativerelationshipbetweenthepressureonthe ganguewallandtheroofsubsidence.Fieldapplicationresultsshowedthatthestratabehaviorsin gob-sideentryretainingwerestableandtheeffectswerepreferable.

Keywordsgob-sideentryretaining,ganguewall,bearingcapacity,mechanicalproperties

中圖分類號(hào)TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

作者簡(jiǎn)介:楊鵬飛(1989－),男,山東臨沂人,博士研究生,主要從事充填開(kāi)采與礦山壓力方面的研究。