綜采矸石充填沿空留巷頂板—巷旁支護(hù)協(xié)調(diào)穩(wěn)定性研究

龔鵬，馬占國，劉飛，胡俊，蘇陽

(中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

綜采矸石充填沿空留巷頂板—巷旁支護(hù)協(xié)調(diào)穩(wěn)定性研究

龔鵬，馬占國，劉飛，胡俊，蘇陽

(中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

本文針對深部高應(yīng)力大采高工作面的沿空留巷難題，利用數(shù)值模擬的手段，分析了綜采矸石充填沿空留巷圍巖的受力變形特征，進(jìn)一步研究了頂板和巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)穩(wěn)定性問題.結(jié)果表明：在充填區(qū)矸石的支撐作用下，頂板產(chǎn)生給定變形；通過在巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)與頂板之間預(yù)留空間并用弱質(zhì)材料充填的方法，可達(dá)到利用巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)與頂板下沉的協(xié)調(diào)性來保證巷幫和頂板的穩(wěn)定性的目的；避免了傳統(tǒng)沿空留巷技術(shù)由切頂和支撐所造成的在巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)上應(yīng)力集中系數(shù)過大的問題，保證了深部大采高沿空留巷技術(shù)的成功.

綜采；矸石充填；沿空留巷；協(xié)調(diào)穩(wěn)定性

引言

沿空留巷技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)無煤柱開采的有效途徑，不僅能夠極大提高煤炭資源回收率，而且具有優(yōu)化工作面通風(fēng)方式、降低回采巷道掘進(jìn)量、提高采掘比、緩解工作面接續(xù)緊張等優(yōu)勢[1].目前，世界范圍內(nèi)的很多學(xué)者對沿空留巷技術(shù)的探索主要是基于垮落法管理頂板的開采條件，專注于覆巖結(jié)構(gòu)優(yōu)化、巷旁維護(hù)方式、巷旁支護(hù)阻力、巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)等方面[2～4].現(xiàn)階段沿空留巷工程監(jiān)測結(jié)果可以看出，在采用垮落法管理頂板時(shí)，隨著工作面推進(jìn)，巷道上部巖層出現(xiàn)向采空區(qū)的旋轉(zhuǎn)變形，引起砌筑支護(hù)體的支撐力升高.當(dāng)巷道內(nèi)部的加強(qiáng)支護(hù)措施和巷旁支護(hù)體的早期強(qiáng)度能夠提供足夠的支護(hù)阻力時(shí)，頂板關(guān)鍵巖層在巷旁支護(hù)體邊緣附近達(dá)到彎矩極限，留巷上部關(guān)鍵巖塊沿巷旁砌筑墻體的外側(cè)切落[5,6].切落基本頂可以降低頂板在采空區(qū)側(cè)的懸臂，減小頂板作用在巷旁砌筑墻體上的附加載荷，從而達(dá)到降低巷道應(yīng)力集中程度和沖擊危險(xiǎn)性的目的.因此，將懸露頂板沿巷旁支護(hù)體外側(cè)安全切落對垮落法管理頂板的沿空留巷工程的成功至關(guān)重要.為此，很多學(xué)者在提高巷旁支護(hù)體的材料強(qiáng)度、優(yōu)化巷內(nèi)支護(hù)參數(shù)和人工干預(yù)切頂?shù)阮I(lǐng)域做了大量研究[7]，取得了積極的成果，已經(jīng)基本解決了薄及中厚煤層條件下的沿空留巷問題.但是對深部高應(yīng)力多項(xiàng)復(fù)雜地質(zhì)條件下的大采高工作面沿空留巷技術(shù)的研究甚少，至今仍是限制沿空留巷技術(shù)發(fā)展的難題.

近年來矸石回填開采技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，矸石充填綜采以頂板破壞程度輕、周期來壓不明顯、巷道壓力較小等特點(diǎn)為深部厚煤層的條件下進(jìn)行沿空留巷作業(yè)提供了必要條件[8,9].同時(shí)，在采空區(qū)充填矸石對頂板的支撐作用下，巷旁支護(hù)與頂板結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性對于控制頂板下沉和維護(hù)巷旁支護(hù)完整性至關(guān)重要.針對這一問題，本文開展了巷旁支護(hù)參數(shù)對綜采矸石充填沿空留巷頂板-巷旁支護(hù)協(xié)調(diào)穩(wěn)定性影響研究.

1 數(shù)值計(jì)算方案

1.1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

試驗(yàn)礦井地面標(biāo)高+32.93～+33.08m，井下標(biāo)高-642～-636m，煤層走向近EW,南傾；真傾角0°～3°；北高南低的單斜構(gòu)造.預(yù)計(jì)煤巖層在掘進(jìn)方向角度為0°～3°.主采3下煤，硬度系數(shù)f=1～2，厚3.08～4.10 m，平均3.5 m，走向近EW，傾向S，傾角0°～3°.3下煤底板為泥巖，3下煤頂板為粉砂巖；泥巖、粉砂巖硬度系數(shù)f=4～6，3下煤層二氧化碳相對涌出量為0.417 m3/t，瓦斯相對涌出量為0.25 m3/t，煤塵爆炸指數(shù)為41.15%，煤層自燃發(fā)火期為3～6個(gè)月.

1.2 數(shù)值計(jì)算模型設(shè)計(jì)

本次模擬建立的模型為150 m×48m×54.6m，垂直于x軸的界面限制x方向位移，垂直于y軸的界面限制y方向位移，垂直于z軸的界面，上表面自由，下表面限制z方向位移，煤層厚度為3.6 m(11 m～14.6 m)，0～9 m為細(xì)砂巖，9～11 m為泥巖，14.6～34.6 m為中砂巖，34.6～54.6 m為粉砂巖，將巖體、煤層及充填區(qū)近似為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的介質(zhì)；僅考慮自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響；選用庫侖-摩爾模型，具體屬性如表1所示：

表1 各層巖體屬性

邊界條件：

1)模型水平方向施加位移約束.

2)模型底部邊界施加垂直位移約束.

3)模型底部施加上覆巖層的自重應(yīng)力.

模型頂端施加上覆巖層的等效載荷，即覆巖自重應(yīng)力.載荷σy按下式得到：

σy=γH

(1)

式中：γ—上覆巖層的平均容重，25kN/m；H—模型頂界距地表的深度，m.

對煤層及煤層上下巖土均進(jìn)行了網(wǎng)格加密，巷道寬4 m，高3.6 m，巷道附近網(wǎng)格劃分為0.4 m×0.8m×0.2m，建立模型網(wǎng)格如圖1所示：

(a)整體網(wǎng)格劃分 (b)巷道附近網(wǎng)格加密圖1 模型網(wǎng)格劃分

巷內(nèi)基本支護(hù)如圖2所示，xz面內(nèi)錨桿間距為0.8 m，幫頂部位置錨桿傾角為20°，兩幫中距底板0.8 m處錨桿向z軸負(fù)向傾角為20°，頂板處設(shè)有錨索支護(hù)，沿y軸方向間距為1.6 m.

圖2 巷內(nèi)基本支護(hù)設(shè)計(jì)

在沿空留巷的實(shí)踐中，巷旁支護(hù)墻體內(nèi)部應(yīng)力和產(chǎn)生的變形是留巷成功與否的關(guān)鍵，同時(shí)還要考慮巷道圍巖及頂板穩(wěn)定性.本文主要考慮懸頂距離e(即巷旁支護(hù)與采空一側(cè)巷道頂板之間的距離)對巷旁支護(hù)穩(wěn)定性的影響，分別取e等于0，200，400，600 mm，研究不同懸頂距離條件下，巷旁支護(hù)和頂板的協(xié)調(diào)變形規(guī)律和應(yīng)力分布特征.同時(shí)，在巷旁支護(hù)墻體與頂板之間的懸頂空間中填充弱質(zhì)材料A，起到隔離采空區(qū)的作用.數(shù)值模擬的過程主要分三個(gè)階段:第一階段為網(wǎng)格劃分，初始平衡計(jì)算；第二階段為開挖巷道，設(shè)置錨桿支護(hù)；第三階段為綜采過程：包括煤層開挖與構(gòu)筑矸石混凝土墻體，y方向48 m分六步開挖，每步8 m，模型在x方向共150 m，巷道沿x方向布置在88 m到92 m范圍內(nèi)，右側(cè)(92 m～150 m)為巷旁充填體和矸石充填區(qū)，左側(cè)(0～88 m)為實(shí)體煤.

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

由于混凝土墻體相對于矸石充填區(qū)而言，剛度很大，可變形量很小，若e過小，會(huì)導(dǎo)致混凝土墻在應(yīng)力重新分布之后，處于高應(yīng)力區(qū)，承受垂直方向應(yīng)力過大，超出試驗(yàn)所得到的矸石混凝土抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致巷旁砌筑墻體的破壞；e過大會(huì)導(dǎo)致巷旁充填體無法有效接頂，在側(cè)壓力的作用下易發(fā)生整體失穩(wěn)；因此，合理的懸頂距離對于巷旁支護(hù)體與頂板的協(xié)調(diào)穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用.本次模擬設(shè)計(jì)了e等于0，200，400，600mm四種方案，進(jìn)行對比分析.數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示：

圖3 巷道圍巖水平應(yīng)力云圖

圖6 巷道圍巖垂直位移云圖

由圖4可以看出懸頂距離e對巷旁砌筑墻體內(nèi)垂直應(yīng)力的影響很大，圖7所示為巷旁砌筑墻體內(nèi)最大垂直應(yīng)力隨懸頂距離e的變化曲線.

圖7 巷旁支護(hù)體內(nèi)最大垂直應(yīng)力隨e的變化曲線

由圖7可以看出e在0到200 mm間變化的過程中，垂直應(yīng)力的變化較為明顯.在e=0時(shí)，豎直方向應(yīng)力最大值達(dá)到了29 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了由試驗(yàn)得到的矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度，在e=200 mm時(shí)，墻體所受的z方向最大應(yīng)力降到了12 MPa，在矸石混凝土的抗壓范圍內(nèi)，在e從200 mm到600 mm變化的過程中，豎直方向最大應(yīng)力逐漸減小，但曲線變化較為平緩.主要因?yàn)榕c采空區(qū)充填矸石相比，巷旁砌筑墻體的剛度較大，當(dāng)e小于200 mm時(shí)，頂板載荷主要由墻體承擔(dān)，在巷旁支護(hù)-頂板-充填區(qū)三者變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致墻體處于高應(yīng)力區(qū)，載荷超過矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度.而當(dāng)e大于200 mm時(shí)，矸石充填區(qū)的應(yīng)力大于墻體，在墻體上方與頂板的距離e這段空隙中充填入一種彈性模量較小，可變形量較大的一種低強(qiáng)度大變形的材料，主要是為了一方面防止自燃起火，另一方面可以通過這種低強(qiáng)度的材料來吸收頂板變形，達(dá)到對巷旁砌筑墻體讓壓的效果，能夠充分發(fā)揮采空區(qū)充填矸石的承載能力，從而改善了巷旁支護(hù)的維護(hù)效果.

圖8為不同懸頂距離情況下巷旁砌筑墻體的水平方向位移對比曲線.由以上分析可以認(rèn)為e=0為不可行的方案，所以未將e=0時(shí)的情況列入圖表中.

由圖8中曲線可以看出在曲線右端，即巷旁充填體的頂部，水平位移均有不同程度的跳躍，但e=200 mm與其他兩條曲線相比明顯更為平緩，其形成原因：由于巷旁支護(hù)與頂板之間的空間使用的充填材料A與頂板和墻體間的摩擦角一定，取沿巷道方向單位長度考慮，由于材料A在豎直方向應(yīng)力基本相同(實(shí)際上有隨e增大而減小的趨勢)，所以為避免其發(fā)生側(cè)滑，在水平方向承受的水平推力也基本相同(實(shí)際上有隨e增大而減小的趨勢)，由水平應(yīng)力云圖可以得知幾種情況下水平應(yīng)力也相差不大，影響墻體上部充填材料A的穩(wěn)定性因素只有水平推力的作用面積，即e的大小，水平推力隨e的增大而增大.在圖8的e=400 mm和e=600 mm情況下，從巷旁支護(hù)上部弱質(zhì)填充材料的位移突變可以看出，其水平方向的抗滑移穩(wěn)定性明顯較低.綜合以上分析得出e取200 mm較為合理.

圖8 墻體的水平方向位移

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法，分析了綜采矸石充填沿空留巷的圍巖及頂板的受力變形特征，得出了以下結(jié)論：

1)當(dāng)懸頂距離小于200 mm時(shí)，混凝土墻的豎直方向應(yīng)力隨該距離e的減小而明顯增大，當(dāng)e大于200 mm時(shí)，這種變化趨勢并不明顯，且巷旁支護(hù)墻體的豎直方向載荷處在矸石混凝土材料的抗壓強(qiáng)度的范圍內(nèi).由此可見，在充填區(qū)矸石的支撐作用下，頂板產(chǎn)生給定變形，可利用巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)與頂板下沉的協(xié)調(diào)性來保證巷幫和頂板的穩(wěn)定性，從而避免了傳統(tǒng)沿空留巷技術(shù)由切頂和支撐所造成的在巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)上應(yīng)力集中系數(shù)過大的問題，保證了深部大采高沿空留巷技術(shù)的成功.

2)為了有效隔離采空區(qū)，同時(shí)有效吸收頂板變形，維護(hù)巷旁支護(hù)體的整體穩(wěn)定性，需在巷旁支護(hù)墻體上方填充弱質(zhì)材料，當(dāng)e大于200 mm時(shí)，填充物的側(cè)向位移較大.

3)從巷旁支護(hù)的載荷大小和懸頂空間內(nèi)的充填物穩(wěn)定性兩方面考慮，選取懸頂距離e=200 mm可以保證巷旁支護(hù)與頂板結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)穩(wěn)定性.

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Coordinated Stability Study on Roof-roadside Support of Gob-side Entry Retaining in Fully-mechanized Gangue Backfilling Mining

GONG Peng, MA Zhan-guo, LIU Fei, HU Jun, SU Yang

(State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering,China University of Mining & Technology, Xuzhou Jiangsu 221116, China)

Aiming at the high stress in deep mining workface gob, using the method of numerical simulation, the paper analyzes the coal gangue filling gob deformation characteristics and makes further study on the roof and roadway support structure coordination stability. The results show that the deformation of the roof is given under the support of the gangue in the filling area; that reserving space and weak material filling between the roof and roadway support structure can ensure the stability of roadway and roof using the coordination of roadway support structure and roof subsidence; that the study avoids the problem of excessive stress concentration factor caused by roof cutting and supporting and ensures the success of deep gob side entry retaining technology.

fully mechanized mining; gangue filling; gob side entry retaining; coordination stability

1673-2103(2017)02-0053-06

2017-01-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51323004，51674250，51074163)；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50834005)；江蘇省“六大人才高峰”高層次人才計(jì)劃；江蘇省研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CXZZ13_0924)；深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(SKLGDUEK1409)

龔鵬(1988-)，男，山東棗莊人，博士研究生，研究方向：采動(dòng)巖體力學(xué)與工程.

TD

A