復(fù)雜地質(zhì)條件下煤體-充填體協(xié)同控制技術(shù)

李 柱，謝 鋒

（1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160；2.重慶市武隆交通委員會(huì)，重慶 408500）

近年來，淺部煤炭資源接近枯竭，因此不得不延伸至深井開采[1-2]。為了減少開采造成的煤炭資源浪費(fèi)和提高回采準(zhǔn)備巷道成型效率，提出了采用充填的方式來解決目前遇到的一系列問題[3-4]。在深部礦井中進(jìn)行沿空掘巷往往比沿空留巷的維護(hù)要簡(jiǎn)單些，但其所處力學(xué)環(huán)境仍比寬煤柱護(hù)巷條件下復(fù)雜的多[5-7]。雖然我國(guó)對(duì)沿空掘巷的研究已經(jīng)很多，也相應(yīng)的對(duì)護(hù)巷合理煤柱寬度的留設(shè)提出了不同的計(jì)算方法，但其應(yīng)用廣泛性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

1 工程地質(zhì)概況

冀中能源宣東二礦Ⅲ3302工作面埋深800 m，上臨Ⅲ3303工作面，左為三采區(qū)運(yùn)輸上山。為了保證正常采掘接替，準(zhǔn)備在不改變Ⅲ3302工作面通風(fēng)方式的條件下，采用巷內(nèi)充填沿空掘巷方式，以保證掘進(jìn)速度。按照有關(guān)規(guī)定，煤層瓦斯壓力小于0.74 MPa時(shí)或者瓦斯含量小于8 m3/t時(shí)，可只進(jìn)行區(qū)域瓦斯驗(yàn)證，這樣可極大加快掘進(jìn)速度。

在高瓦斯礦井實(shí)施巷內(nèi)充填沿空掘巷的目的，就是找到合適的掘巷范圍，即可加快掘進(jìn)速度，解決采掘接替問題，又不違反國(guó)家相關(guān)的安全規(guī)程的規(guī)定。在尋找合適沿空掘巷范圍的過程中，防止煤柱過窄導(dǎo)致完全變形破壞，巷內(nèi)充填沿空掘巷示意圖如圖1。

2 巷內(nèi)充填工藝

圖1 巷內(nèi)充填沿空掘巷示意圖

在不改變通風(fēng)方式、保證工作面正常通風(fēng)的前提下，充填進(jìn)度要超前于工作面推進(jìn)進(jìn)度。為保證通風(fēng)斷面，需要增加巷道的寬度至6 m，由于超寬巷道的頂板維護(hù)困難，因此為了防止頂板垮落，須用雙排單體液壓支柱配鉸接頂梁進(jìn)行提前支護(hù)。充填體超前充填的進(jìn)度，可以根據(jù)工作面的推進(jìn)速度V1（與充填速度相同）和切頂所需充填體的強(qiáng)度p共同確定。根據(jù)充填體強(qiáng)度發(fā)展曲線，可知切頂強(qiáng)度p所對(duì)應(yīng)的充填體養(yǎng)護(hù)齡期為D，X為基本頂?shù)臉O限跨距，則充填體超前工作面距離為Y=D×V1-X。根據(jù)宣東二礦Ⅲ3302工作面現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，可以計(jì)算出充填體需要超前工作面的充填距離大于45 m。充填體寬度為3 m，約占巷道寬度的1/2。為了保證巷道的穩(wěn)定性，除了采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)外，利用單體液壓支柱對(duì)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，控制巷道的變形量。其巷道內(nèi)充填時(shí)的剖面圖如圖2。

圖2 巷內(nèi)充填剖面示意圖

根據(jù)宣東二號(hào)煤礦Ⅲ3302工作面的實(shí)際情況，安排在每天的八點(diǎn)檢修班對(duì)工作面的巷道進(jìn)行充填，進(jìn)行巷內(nèi)充填的工藝流程如圖3。

3 煤體-充填體力學(xué)關(guān)系分析

3.1 煤體-充填體接觸面力學(xué)分析

由于煤體-充填是1個(gè)長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬度的柱形體，可簡(jiǎn)化為平面問題進(jìn)行分析[8]，煤體-充填體平面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4。

圖3 充填工藝流程示意圖

圖4 煤體-充填體平面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

煤柱左側(cè)受到錨桿的約束，充填體的右側(cè)同樣受到了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的橫向約束，兩邊為水平簡(jiǎn)支約束，煤柱-充填體的上部與頂板的接觸面受到頂板的壓力以及頂、底板接觸面的摩擦力限制了煤柱-充填體的水平位移。煤柱-充填體上覆巖層的質(zhì)量可以簡(jiǎn)化為均布載荷q。窄煤柱的寬度為b，充填體寬度為a，煤層厚度為m。煤柱體所承受的載荷為q1，充填體所承受的載荷為q2。在覆巖作用下，煤柱體和充填體之間產(chǎn)生了共同向下的位移，則煤柱體與充填體所承受的平均壓力q1、q2可分別表示為：

式中：E1、E2為煤柱體和充填體的彈性模量。

同時(shí)由于煤柱體和充填體處于平衡狀態(tài)，根據(jù)靜力平衡條件可知：

由于煤柱體和充填體共同承擔(dān)上覆巖層的載荷，當(dāng)充填體承受載荷較大時(shí)，煤柱所承受的載荷相對(duì)就會(huì)變小，穩(wěn)定性就會(huì)越好。它們之間的載荷也可以表示為：

式中：ρ為覆巖平均密度；H為埋藏濃度。

式中：μ1、μ2分別為煤柱體的泊松比、充填體的泊松比。

可以看出，充填體的彈性模量和泊松比越大，其所能夠承受的載荷越大，抵抗變形的能力也就越強(qiáng)。根據(jù)胡克定律可以得出煤柱體與充填體之間的相互作用力F0的表達(dá)式為：

3.2 煤體-充填體兩幫力學(xué)模型

將煤體-充填體看成一個(gè)整體，對(duì)其兩幫進(jìn)行受力分析，煤體-充填體力學(xué)模型簡(jiǎn)圖如圖5。在其煤柱一側(cè)煤幫主要約束力來自于巷道錨桿的支護(hù)阻力ps，而對(duì)于充填體一側(cè)主要受力來自采空區(qū)垮落矸石對(duì)充填體形成的側(cè)向擠壓力Fz。煤體-充填體左右兩側(cè)橫向受力的差異性由煤柱與頂?shù)装宓募羟袘?yīng)力和充填體與頂?shù)装宓哪Σ磷枇磉M(jìn)行平衡。

圖5 煤體-充填體力學(xué)模型簡(jiǎn)圖

其中ps、Fz分別為煤柱左側(cè)的錨桿對(duì)煤幫的約束力與采空區(qū)矸石對(duì)充填體的側(cè)向擠壓力；τxy為煤柱對(duì)于煤層巷道頂?shù)装宓募羟袘?yīng)力；f為充填體與頂?shù)装逯g的摩擦阻力；x1、x2分別為煤柱與充填體的應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度；σy1、σy2分別是煤柱與充填體的支承壓力峰值也即極限強(qiáng)度。其中煤柱的受力模型如圖6[9-10]。

對(duì)該模型進(jìn)行求解，其中σy1＝KρgH，K為煤體的應(yīng)力集中系數(shù)，C0、φ0分別為煤體的黏聚力和內(nèi)摩擦角。利用沿空掘巷實(shí)體煤幫應(yīng)力極限平衡區(qū)的計(jì)算公式可以推導(dǎo)出模型中x1的表達(dá)式：

圖6 煤柱受力模型簡(jiǎn)圖

式中：λ為側(cè)壓系數(shù)；h為巷道高度。

對(duì)于沿空掘巷巷幫煤柱應(yīng)力極限平衡區(qū)內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力表達(dá)式為：

假設(shè)沿空掘巷充填體的應(yīng)力集中系數(shù)為Kc，富裕系數(shù)為A；則對(duì)于充填體在水平方向的應(yīng)力σxc的表達(dá)式為：

充填體的受力模型如圖7。

圖7 充填體受力模型簡(jiǎn)圖

對(duì)該模型進(jìn)行求解，利用應(yīng)力極限平衡區(qū)的計(jì)算公式可以得出充填體的應(yīng)力極限平衡區(qū)域的x2的表達(dá)式：

式中：C、φ分別為充填材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

充填體采空區(qū)側(cè)的極限平衡區(qū)內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力表達(dá)式：

3.3 煤體-充填體的影響因素分析

Ⅲ3煤層埋深H=800 m，煤體的黏聚力C0=2.5 MPa，巷道高度h=3 m，應(yīng)力集中系數(shù)K=2，內(nèi)摩擦角 φ0=30°，側(cè)壓系數(shù) λ=1.8，覆巖的平均密度 ρ=2.2 t/m3，煤體的彈性模量E=2 400 MPa，其煤層的性質(zhì)、埋深、巷道的設(shè)計(jì)寬度都已固定，因此研究影響煤體-充填體的塑性區(qū)寬度影響因素時(shí)，只考慮支護(hù)阻力、充填體強(qiáng)度等對(duì)煤體-充填體的塑性區(qū)寬度的影響。不同充填體強(qiáng)度的設(shè)置參數(shù)見表1。

表1 不同強(qiáng)度充填體的力學(xué)參數(shù)

根據(jù)式（7）和式（10）可分別計(jì)算出充填體側(cè)不同強(qiáng)度大小和煤體側(cè)不同強(qiáng)度大小時(shí)塑性區(qū)寬度的變化情況（圖8）。

圖8 煤體-充填體兩側(cè)塑性區(qū)寬度分布規(guī)律

由圖8（a）可知，隨著充填體強(qiáng)度的上升，塑性區(qū)的寬度也出現(xiàn)了明顯的下降?？梢娡ㄟ^改善充填體自身強(qiáng)度可以在一定程度上降低塑性區(qū)寬度，增加支撐力，改善沿空掘巷巷道的穩(wěn)定性。由圖8（b）可知，煤柱側(cè)在支護(hù)強(qiáng)度改變時(shí)，塑性區(qū)寬度也隨之發(fā)生改變，支護(hù)強(qiáng)度越大越有利于巷道圍巖的穩(wěn)定性，因此在進(jìn)行沿空掘巷時(shí)，合理設(shè)計(jì)巷道支護(hù)方案，對(duì)控制巷道圍巖的變形破壞有一定的作用。

基于Kastner公式，考慮煤層瓦斯影響得到高瓦斯煤層巷道的圍巖塑性區(qū)半徑R的計(jì)算如式（1）。

式中：r1為巷道半徑；pi為平均支護(hù)阻力；p0為瓦斯壓力。

針對(duì)宣東二號(hào)煤礦沿空掘巷工作面煤層參數(shù)，工作面埋深800 m，覆巖平均密度為2.5 t/m3，巷道半徑r1為2 m，瓦斯壓力p0為2 MPa，平均支護(hù)阻力pi為1 MPa，煤體黏聚力C為1.5 MPa，內(nèi)摩擦角φ為30°。為了簡(jiǎn)化理論計(jì)算，假設(shè)巷道處于靜水應(yīng)力場(chǎng)，巷道塑性區(qū)與彈性區(qū)交界的邊緣應(yīng)力可表示為ρgH+p0。

塑性區(qū)半徑與瓦斯壓力的關(guān)系如圖9。由圖9可知，隨著瓦斯壓力越大，塑性區(qū)半徑范圍也隨之增大，因此在工程實(shí)踐中進(jìn)行沿空掘巷時(shí)，需要對(duì)煤層內(nèi)瓦斯壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，在確定沿空掘巷煤柱留設(shè)寬度時(shí)，應(yīng)該對(duì)瓦斯壓力對(duì)煤體所產(chǎn)生的影響進(jìn)行綜合考慮。

圖9 塑性區(qū)半徑與瓦斯壓力的關(guān)系

根據(jù)Ⅲ3煤層地質(zhì)情況，并基于式（7）和式（10）可計(jì)算求解出煤體-充填體協(xié)同護(hù)巷時(shí)巷道側(cè)煤柱的塑性區(qū)寬度x1=1.82 m，采空側(cè)充填體的塑性區(qū)寬度x2=2.11 m，瓦斯壓力影響塑性區(qū)半徑R=0.36 m?？嫉降矫后w-充填體的穩(wěn)定性，可按照（x1＋x2＋R）的30%～50%確定中間彈性核區(qū)的寬度x3，在此按照40%確定為x3=1.72 m，因此可以確定煤體-充填體的總寬度為W=6.01 m。

4 工程應(yīng)用

為了檢驗(yàn)支護(hù)效果，在超前工作面60 m位置處設(shè)置礦壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。相鄰工作面回采期間巷道圍巖變形情況如圖10。由圖10中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：工作面回采期間，巷道頂、底板移近量分別為380 mm和315 mm，煤柱幫和實(shí)體煤幫移近量分別為352 mm和338 mm，圍巖整體變形在可控范圍內(nèi)，沒有發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，說明煤體-充填體協(xié)同護(hù)巷方案達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖10 相鄰工作面回采期間巷道圍巖變形情況

5 結(jié)論

1）根據(jù)宣東二礦Ⅲ3302工作面現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，計(jì)算出充填體超前工作面的充填距離≥45 m，充填體的寬度為3 m，約占巷道寬度的1/2。

2）通過建立煤體-充填體力學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析，得知通過改善充填體自身強(qiáng)度和支護(hù)強(qiáng)度有利于巷道圍巖的穩(wěn)定性，并根據(jù)Ⅲ3煤層地質(zhì)情況可知受瓦斯壓力影響下煤體-充填體的最優(yōu)寬度為6.01 m。

3）現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，鄰近工作面回采過程中，煤體-充填體協(xié)同護(hù)巷下巷道頂、底板移近量分別為380 mm和315 mm，煤柱幫和實(shí)體煤幫移近量分別為352 mm和338 mm，圍巖整體變形在可控范圍內(nèi)。