俯采超高水材料充填體穩定性控制研究

周 帥 馮光明 李 杰

(1.中國礦業大學礦業工程學院;2.深部煤炭資源開采教育部重點實驗室)

1 工作面概況

山西大莊煤礦可采資源儲量1 233萬t，占壓煤炭可采資源量為785.4萬t，占目前全礦總可采資源量的63.3%，建筑下壓煤導致無法布置工作面，嚴重影響了礦井連續生產。813作為試采充填工作面，能否順利實施關系到整個礦井的生存。813工作面約有長達50m的俯采段，坡度為0°～8°。此階段中采空區基本頂較破碎，移架后充填包體常出現失穩傾倒、垮塌，嚴重影響了工作面生產及采空區充填。

813充填工作面所采煤層為8#煤層，煤層頂板為灰巖，底板多為泥巖，局部為粉砂質泥巖及砂巖。工作面長度為150 m，煤層厚度2.63～3.05 m，平均2.83 m，煤層傾角為0°～8.5°，平均4.3°。采煤工藝為綜采充填支架配合超高水材料袋式充填開采。充填液壓支架由前架和后架組成，工作面正常支護采用前架，充填包之間間隔位置處及兩個端頭側的前架后方連接后架(可根據充填體長度調整相鄰兩后架的間距)，后架頂梁兩側設有側隔板，其余每個前部液壓支架的頂梁上均設有擋板，擋板與兩側隔板一并圍成“門”字形的便于掛袋充填的框架。采用將超高水充填材料充入吊掛好的袋內，凝固后對上覆巖層直接進行支撐的充填方法。該工藝操作簡單，初期投資低，機械化程度高［1］。充填袋及支架布置如圖1。

2 俯采段充填體力學模型分析

為了定量分析充填體失穩的原因及失穩的條件，建立了俯采段充填體的力學模型如圖2、圖3，分別從整體和部分兩方面分析計算了失穩原因［2-4］。

由于短時間內充填體未對頂板起到支護作用，因此忽略頂板壓力。當分別滿足式(1)、式(2)的條件時，充填體不會整體沿底板滑動和整體翻倒:

圖1 充填液壓支架布置

圖2 俯采段充填體力學模型

圖3 充填體單元體剪切破壞

式中，G為充填體的重力，θ為俯采角度，μ為底板與充填體靜摩擦系數，h為充填體高度，b為充填體寬度。以大莊煤礦為例，充填體規格為2.83 m×2.1 m×15 m，容重取1，μ取0.4，由此計算得出俯采角度應在0°～15°。

以充填體的單元體為計算對象，根據摩爾剪切理論，抗剪強度

式中，τ為抗剪強度，c為內聚力，φ為內摩擦角，σ為豎直應力。移架時(按充填后8 h計算)充填體的抗剪切強度τf＞抗剪強度τ時，充填體的單元體不會遭到剪切破壞。通過計算分析得出:水體積為95%的超高水材料可以滿足要求，不會被剪切破壞。

由以上分析得出:充填體的穩定性與俯采角度和充填體的強度有關。俯采角度越小、充填材料強度越高對充填體的穩定控制越有利。

3 充填體穩定性控制方法

俯采段傾角與工作面布置有關，在布置工作面時盡量將其布置成仰斜或水平，不允許時可將其布置成俯斜或偽俯斜，使俯斜角度盡量變小，降低充填體失穩的可能性。由于813工作面布置時受周圍原采空區所限，俯采角度已確定，不可改變。

充填體的強度與時間及充填漿液的配比有關［5-7］。在其他條件相同的前提下，不同濃度的漿液固結后在相同的時間內具有不同的強度，而相同濃度的漿液固結后在不同的時間強度也不同。超高水材料抗壓強度參見表1。

表1 超高水材料抗壓強度

因此對充填體的穩定性控制主要基于加強充填體自身強度和施加外力兩方面，具體措施如下:①在充填管路承載范圍內，調整了充填材料的水體積，由原來的96%調整至95%，以加強充填體自身的強度。②調整了充填外加劑的比例，使袋內充填體加速凝固，在下一循環拉支架時已達到一定強度。③給予充填體充分凝固的時間，在俯采坡度較大的情況下，對充填工序進行了安排調整，由原來的4 h凝固時間增加到8 h。④充填包掛包時，在靠支架一側用單體液壓支柱支撐，每隔約4 m設1根，拉架后單體液壓支柱對充填體起到支撐作用，如圖4所示。

圖4 單體液壓支柱支護充填體

經試驗，采取上述控制方法后，充填體固結良好，強度明顯增強;單體液壓支柱支撐作用明顯，起到了很好的控制作用。充填體未出現較大變形及失穩垮落，與采取此措施之前相比，穩定性大大提高，從而成功通過了俯采階段，保證了充填開采的順利進行。

5 結論

(1)充填工作面盡量布置為仰采，避免使充填體的穩定受到傾角的影響，有利于提高充填的成功率;在俯采條件下有必要控制充填體的穩定性。

(2)超高水充填配合充填液壓支架可以大大提高充填效率，并且操作簡便，尤其是俯采應用成功后，對煤礦地質條件適應性進一步增強。

(3)超高水材料采空區充填具有更廣闊的應用范圍，將給礦井開拓布局、生產接續帶來更大的靈活性。

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