固體充填采煤大斷面收作眼圍巖變形特征及其控制技術

楊 陽 劉恒鳳 張 升 孫 鑫

(1. 山東能源淄礦集團唐口煤業(yè)公司，山東省濟寧市，272055；2. 中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇省徐州市，221116)

固體充填采煤大斷面收作眼圍巖變形特征及其控制技術

楊 陽1劉恒鳳2張 升2孫 鑫1

(1. 山東能源淄礦集團唐口煤業(yè)公司，山東省濟寧市，272055；2. 中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇省徐州市，221116)

針對唐口煤礦9301充填工作面收作眼撤架通道大、支護難度高等難題，采用理論分析、數(shù)值模擬和工業(yè)試驗相結合的方法，研究了固體充填采煤大斷面收作眼圍巖變形特征及控制技術。在掌握固體充填收作眼圍巖結構特征的基礎上，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對收作眼的圍巖變形破壞規(guī)律進行了模擬分析，得出在不同的充實率、采高以及撤架數(shù)條件下收作眼圍巖的變形特征及圍巖應力分布規(guī)律，并提出了固體充填大斷面收作眼的圍巖控制技術，同時將該技術在唐口煤礦9301充填面進行了工業(yè)性試驗。試驗結果表明，在整個撤架過程中收作眼的頂板下沉增量僅為60 mm，收作眼圍巖變形得到了有效控制。

收作眼 大斷面 固體充填 圍巖控制

AbstractTo solve support dismantling problem of Tangkou Mine caused by big cross-section finishing cut and to control strata movement in backfilling mining face, this paper adopted the theoretical analysis, numerical simulation and industrial test method to study the characteristics of surrounding rock deformation and control technology of finishing cut. FLAC3D numerical simulation software was used to analyze the deformation laws of surrounding rock at finishing cut based on the understanding of surrounding rock structure characteristics of finishing cut of solid backfilling work face, the deformation and stress distribution characteristics of surrounding rock with different compression ratios, mining heights and the numbers of support were obtained. The corresponding surrounding rock control technology was tested to 9301 backfilling work face of Tangkou Mine. The test result showed that the sinking of roof at finishing cut increased 60 mm during the support dismantling, the surrounding rock deformation had been effectively controlled.

Keywordsfinishing cut, large cross-section, solid filling, surrounding rock control

煤炭需求量逐年增加，導致煤炭開采速度加快，使得“三下”壓煤問題更為突出。近年來，為了解決這一問題，中國礦業(yè)大學研發(fā)了綜合機械化固體充填采煤技術。目前，該技術已經十多個礦區(qū)中獲得應用，且取得了良好的經濟社會效益。但固體充填采煤技術也面臨一些新的難題和挑戰(zhàn)，其中由于固體充填采煤技術本身的特點，導致充填綜采面在搬遷的過程中會形成大斷面收作眼，大斷面收作眼圍巖控制問題就是亟待解決的技術難題。相對于傳統(tǒng)綜采面收作眼而言，固體充填采煤綜采面由于設備搬遷耗時長的特點，會增加大斷面收作眼的支護難度，另外在收作眼內的設備完全撤除后，需要控制收作眼圍巖的最終下沉量以保障地標建筑物的損壞等級在允許的范圍之內。何滿潮院士提出了軟巖巷道關鍵部位二次耦合支護技術，確定最佳二次耦合與支護時間；闞甲廣等針對深井大跨度切眼支護難題，提出高強度錨桿錨索聯(lián)合支護技術；張吉雄等建立了充填綜采基本頂力學模型，推導出充填面支護強度力學關系式，為大斷面收作眼圍巖控制提出理論基礎。

本文以唐口煤礦9301充填工作面為工程背景，通過理論分析、數(shù)值模擬和工程實踐相結合的方法，分析了固體充填采煤大斷面收作眼圍巖變形特征及應力分布規(guī)律，并提出大斷面收作眼圍巖變形控制方法，為同等條件下的工程實踐提供指導。

1 工程概況

唐口煤礦9301工作面開采煤層為3上煤層，煤層厚度2.0～4.1 m，平均厚度3.2 m。3上煤層位于山西組中部，煤層傾角在0°～13°之間，平均為5°，傾向59°～140°，充填開采區(qū)域地面標高+36.5～+37.1 m，井下標高-1045～-1186 m，埋深1082～1222 m。9301工作面凈寬60 m，推進長度610 m。9301工作面位于鳳凰臺西南約2.2 km、京杭大運河東北約270 m下方。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》的規(guī)定，可知鳳凰臺為Ⅰ級保護對象，因此需對9301采區(qū)進行充填開采。9301工作面是930矸石充填采區(qū)的首采面，共有44架充填液壓支架，工作面布置圖如圖1所示。

2 固體充填收作眼圍巖結構分析

近年來，為解決我國大規(guī)模煤炭開發(fā)中突出的資源和環(huán)境問題，中國礦業(yè)大學積極組織研發(fā)團隊與眾多煤企和煤機廠家合作，開發(fā)出固體充填采煤技術，并在城市建筑群下、鐵路和公路交叉網下以及大型水體下和松散含水層下等20多個礦區(qū)進行了規(guī)?；墓I(yè)性推廣應用，均取得了顯著的經濟、社會和環(huán)境效益。而與傳統(tǒng)綜采面相比，固體充填采煤工作面主要差別是在工作面的后部布置了一個充填作業(yè)面，以矸石、粉煤灰、建筑垃圾等為主要充填材料，通過固體物料連續(xù)輸送系統(tǒng)或者直接采用投放系統(tǒng)輸送至井下，再經過帶式輸送機運輸至充填采煤工作面，實現(xiàn)采充同步的目標。

圖1 9301采煤工作面布置圖

圖2 充填采煤工作面收作眼圍巖結構特征

選擇唐口煤礦9301充填采煤面收作眼為分析對象，依據固體充填采場圍巖變形特征，對收作眼撤架前后的頂板穩(wěn)定狀態(tài)進行分析。根據現(xiàn)場觀測可知，密實充填實現(xiàn)直接頂不垮落，而基本頂僅產生整體彎曲下沉，頂板被前方煤體和液壓支架以及充填體所支撐，收作眼處于液壓支架與煤體之間，在液壓支架的支撐下頂板下沉量受到限制，由此可得出固體充填采煤收作眼圍巖結構特征如圖2所示。在傳統(tǒng)綜采過程中，直接頂與基本頂隨著工作面的推進而相繼垮落。在充填綜采過程中，隨著工作面的推進，直接頂只有當其達到垮落步距時才發(fā)生垮落。由于充填體與破碎直接頂?shù)乃槊浶?，基本頂發(fā)生垮落時會與破碎的直接頂接觸，因此，充填綜采與傳統(tǒng)綜采不同之處在于其增大了基本頂?shù)目迓洳骄?，減小了覆巖變形的空間，降低了關鍵層的變形量，使得關鍵層不會失穩(wěn)破斷，可以作為覆巖的承載體。

3 固體充填收作眼圍巖變形破壞特征

本文以唐口煤業(yè)9301綜采充填面工程地質條件為研究背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對固體充填采煤面收作眼圍巖變形及應力分布規(guī)律進行分析。本模型模擬到關鍵層的上一層，該層上方的巖層采用20 MPa的等效均布載荷代替，基本模型設計尺寸為240 m×240 m×60 m(長×寬×高)，模型的底部約束垂直方向的位移，兩側約束水平方向的位移。采用莫爾-庫倫模型，對煤層附近巖層進行網格細化。為了模擬研究固體充填采煤面收作眼圍巖變形及應力分布規(guī)律，分別模擬研究了不同充實率、采高條件下以及撤架過程中大斷面收作眼圍巖的變形特征及圍巖應力分布規(guī)律。

3.1 充實率、采高對收作眼圍巖變形的影響

確定采高為3 m時，模擬研究充實率為50%、80%、90%時收作眼圍巖變形及應力分布規(guī)律；再確定充實率為80%時，模擬研究采高分別為2.5 m、3 m、3.5 m時收作眼圍巖變形及應力分布規(guī)律。不同充實率、采高條件下收作眼圍巖塑性區(qū)分布情況如圖3所示，圖中深色區(qū)域為圍巖塑性區(qū)。比對圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)可知，當充實率不斷增大時，收作眼圍巖塑性區(qū)的發(fā)育范圍是不斷減小的。充實率為50%時，采動對收作眼圍巖塑性區(qū)的發(fā)育影響非常明顯，只有當充實率為80%以上時，采動影響才逐漸減??；對比圖3(d)、圖3(e)、圖3(f)可知，隨著采高的不斷增加，收作眼圍巖塑性區(qū)的發(fā)育范圍逐漸增大。綜合分析圖3可知，對收作眼圍巖塑性區(qū)影響起關鍵作用的是充實率。

圖3 不同充實率、采高條件下收作眼圍巖塑性區(qū)分布情況

不同充實率和采高條件下收作眼圍巖垂直應力分布情況如圖4和圖5所示。由圖4可知，隨著充實率的不斷增大，收作眼圍巖中最大垂直應力呈減小趨勢；隨著采高的不斷增大，收作眼圍巖中最大垂直應力值及應力集中系數(shù)也不斷增大；當采高為3.5 m時，垂直應力、應力集中系數(shù)均達到最大值。根據應力集中系數(shù)的差值大小可知，充實率對收作眼圍巖垂直應力大小的影響比采高的影響大。

不同充實率、采高條件下收作眼頂板垂直位移分布規(guī)律如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知，收作眼頂板下沉量與充實率之間呈負相關性，采高與收作眼頂板下沉量呈正相關性。當充實率分別為50%、80%、90%時，收作眼頂板最大下沉量對應為2.65 m、1.96 m、1.056 m；當采高為2.5 m、3 m、3.5 m時，收作眼頂板下沉量分別為1.49 m、1.96 m、2.252 m。由充實率、采高改變時頂板最大下沉量之間的差值關系可知，充實率對頂板最大下沉量的影響起到較大作用。

圖4 不同充實率條件下收作眼圍巖垂直應力分布情況

圖5 不同采高條件下收作眼圍巖垂直應力分布情況

圖6 不同充實率條件下收作眼頂板下沉量情況

圖7 不同采高條件下收作眼頂板下沉量情況

3.2 撤架過程中收作眼圍巖變形規(guī)律

確定充實率為80%、采高為3 m時，模擬研究撤架過程中固體充填面收作眼圍巖變形及應力分布規(guī)律。撤出支架數(shù)目依次為5架、15架、25架、35架、40架以及全部撤出，得到撤架過程中固體充填面收作眼圍巖塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律。

圖8 撤出不同架數(shù)條件下塑性區(qū)發(fā)育情況

圖9 撤出不同架數(shù)條件下垂直應力分布情況

圖10 撤出不同架數(shù)條件下頂板下沉量情況

現(xiàn)只取撤架數(shù)為5架、25架和全部撤出時固體充填面收作眼圍巖變形規(guī)律如圖8、圖9和圖10所示。由圖8、圖9和圖10可知，收作眼圍巖的塑性區(qū)范圍隨著支架的撤出而不斷擴大，但變化并不是非常明顯，而產生該現(xiàn)象的主要原因是由于工作面推進至此停采后，在撤架前支架上方覆巖已經產生強度破壞，因此塑性區(qū)范圍的變化隨著支架的撤出并不是非常明顯。另外，隨著支架的不斷撤出，支架上方頂板內的高應力區(qū)不斷增加，圍巖內的應力集中系數(shù)由2.8增大至3.5，當支架全部撤出后，收作眼處于泄壓區(qū)，覆巖內應力降低。由圖10可知，撤出5架時收作眼頂板最大下沉量為0.271 m，撤出25架時收作眼頂板最大下沉量達到1.119 m，支架全部撤出時收作眼頂板最大下沉量累計為1.62 m。從整體來看，隨著支架的不斷撤出，收作眼頂板產生失穩(wěn)并不斷向上波及。

在模型中收作眼區(qū)域頂板內沿著收作眼中線方向每隔10 m布置一個監(jiān)測點，共布置20個，監(jiān)測不同撤架數(shù)條件下收作眼頂板下沉量變化情況，如圖11所示。

由圖11可知，收作眼頂板下沉量隨著支架的不斷撤出而不斷增大，當撤出25架時，頂板下沉量增加了0.599 m，表明此時頂板已經發(fā)生失穩(wěn)，應注意撤架安全予以及時支護。支架撤出5架、15架、35架、40架以及全部撤出時，頂板下沉量的增幅基本穩(wěn)定。支架全部撤出時頂板下沉量達到最大值為1.62 m。

圖11 撤架過程中收作眼頂板下沉量變化情況

4 固體充填收作眼圍巖變形控制方案

基于數(shù)值模擬結果分析，提出了相應的支護方案，去保支架安全撤出，保證地表建筑不受影響。具體支護方案如下：

在未撤架之前收作眼頂板是由充填支架支撐，充填支架體型偏大導致滑道尺寸(3 m×3 m)較大，且由于受到回采過程中超前支承壓力的影響，使得滑道的煤壁破壞較為嚴重。依據數(shù)值模擬所得的收作眼圍巖變形破壞特征，可知在支架撤出前滑道已發(fā)生了嚴重的破壞。這些因素都加大了滑道圍巖支護的難度，若圍巖得不到及時支護，滑道圍巖很可能產生偏幫危險，會直接影響到撤架的正常作業(yè)。為了防止頂板的冒落而掩埋設備，需要對滑道頂板進行加強支護?？紤]到滑道尺寸較大，應當將其依據大斷面巷道支護的原理進行支護，而以往的大斷面巷道的支護技術有錨桿(索)網噴支護、桁架錨桿支護、桁架錨索聯(lián)合支護、錨注支護、單體支護+鉸接頂梁支護等，但考慮到滑道結構的特殊性和支護的目的性，提出長錨索+π型鋼梁+單體支柱聯(lián)合支護的方式對滑道進行加強支護，具體方法為：在滑道煤幫部打設單體支柱(間距2000 mm)及金屬鉸接頂梁，并在滑道頂板打設長錨索(規(guī)格為?17.8 mm×6300 mm，間距為3200 mm)?；乐ёo斷面圖如圖12所示。

圖12 滑道支護斷面圖

隨著支架的撤除，收作眼頂板的累積下沉量不斷增加，最終將導致頂板失穩(wěn)、加劇覆巖移動，進而影響到地表建筑物。由于收作眼本身的橫跨距較大，僅采用錨索網支護無法控制頂板下降的趨勢，在隨著時間的推移加上其他擾動的影響，頂板仍會垮落。為了盡可能減少頂板的下沉量、提高支護效果，依據撤架過程的數(shù)值模擬結論，設計采用木垛(長×寬×高=2 m×2 m×3 m，間距2 m)對撤架過程中收作眼控頂進行臨時支護。混凝土墩柱平面布置如圖13所示。

5 工程案例

為了驗證該技術對巖層移動的控制效果，在唐口煤礦9301充填采煤工作面收作眼斜上方垂距約85 m的巷道內布設20個測點，測點布置如圖14所示，并采用水準儀分別對巷道下沉量進行了觀測。

圖13 木垛布置平面圖

根據現(xiàn)場監(jiān)測所得數(shù)據繪制得到監(jiān)測巷道下沉變化曲線，如圖15所示。

圖14 監(jiān)測點布置平面圖

由圖15可知，巷道下沉量有兩次大的波動，第一次是撤出15架時，第二次是全部撤出時，這與數(shù)值模擬存在一定的區(qū)別，其主要原因是因為現(xiàn)實工程中各巖層里存在較多斷層和裂隙，導致頂板下沉位置與數(shù)值模擬之間存在較大的差異。另外可以得出，巷道下沉量主要還是發(fā)生在支架撤除期間，隨著收作眼進行全斷面注漿充填，巷道下沉情況得到明顯改善，當覆巖完全穩(wěn)定后，上方監(jiān)測巷道累計下沉量僅為64.8 mm，收作眼圍巖的變形得到了有效控制，使得上方地表建筑物的破壞在允許的范圍內。

圖15 各測點不同時期頂板下沉監(jiān)測結果

6 結論

(1)由不同充實率和采高對收作眼圍巖變形及應力分布規(guī)律的數(shù)值模擬中可知，充實率與收作眼頂板下沉量、最大垂直應力以及塑性區(qū)的范圍之間呈負相關性；采高則與上述指標呈正相關性；且充實率對收作眼圍巖變形規(guī)律的影響比采高大。

(2)模擬撤架的過程，圍巖的塑性區(qū)范圍隨著支架的撤出而不斷擴大，支架上方頂板內的高應力區(qū)不斷增加，從整體來看，隨著支架的不斷撤出，收作眼頂板產生失穩(wěn)并不斷向上波及。

(3)提出固體充填采煤收作眼圍巖支護方案，并通過現(xiàn)場監(jiān)測得出上方監(jiān)測巷道累計下沉量僅為64.8 mm，表明支護方案可有效的控制收作眼圍巖變形，能夠滿足地表建筑物保護要求。

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(責任編輯 陶 賽)

Deformationcharacteristicsandcontroltechnologyofsurroundingrockoflarge-sectionfinishingcutinsolidbackfillmining

Yang Yang1, Liu Hengfeng2, Zhang Sheng2, Sun Xin1

(1. Tangkou Mining Company, Shandong Energy Zibo Mining Group, Jining, Shandong 272055, China; 2. School of Mining Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

TD323

A

楊陽，劉恒鳳，張升. 固體充填采煤大斷面收作眼圍巖變形特征及其控制技術 [J]. 中國煤炭，2017,43(9)：56-62. YangYang, Liu Hengfeng, Zhang Sheng, et al. Deformation characteristics and control technology of surrounding rock of large-section finishing cut in solid backfill mining [J]. China Coal，2017,43(9)：56-62.

楊陽(1987-)，山東濟寧人，本科學歷，助理工程師，主要從事煤礦生產管理與技術工作。