沿空留巷巷旁矸石墻力學特性研究

楊鵬飛　于躍　王玉凱(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083)

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沿空留巷巷旁矸石墻力學特性研究

楊鵬飛于躍王玉凱
(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,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象,對矸石墻的承載力和壓縮量進行現場測試,分析其承載性能。結果表明:矸石墻承載力為6.7MPa,最大壓縮量為140mm,與傳統剛性支護相比,矸石墻讓壓變形特性明顯;在滯后工作面35～45m的區域,矸石墻壓縮量急劇增加。闡述了矸石墻的作用機理,并建立了頂板－矸石墻結構模型,當工程條件確定時,矸石墻所受壓力和頂板下沉量存在定量關系。現場應用結果表明,沿空留巷礦壓顯現平穩,留巷效果較好。

關鍵詞沿空留巷 矸石墻 承載力 力學特性

近年來,隨著無煤柱護巷技術的發展,沿空留巷得到了長足發展和廣泛應用。巷旁矸石墻支護理論的研究是沿空留巷技術的基礎。目前,孫恒虎教授、郭育光教授等相關學者在巷旁支護理論方面進行了深入研究。但這些研究成果大多都是從整體支護體系及頂板運動的角度進行分析的,對于矸石墻的特性尚缺乏詳細的研究。為此,本文提出了一種矸石墻承載力的測試方法,從而對矸石墻力學特性進行研究,并在此基礎上構建了相應的頂板－巷旁

矸石墻支護結構模型,并根據現場應用的結果對沿空留巷效果進行了評價。

1　工程地質條件

某煤礦三槽西四壁(下)工作面標高為610～625m,地面標高為900～1100m,工作面走向長155m,傾向長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°。煤層頂底板較為穩定,煤層頂底板巖性特征見表1。

表1　煤層頂底板巖性特征

西四壁(下)工作面正在回采,為了使其軌道巷保留并繼續服務西四壁(上)工作面的開采,在西四壁(下)工作面采空區與軌道巷之間用矸石袋構筑寬度為1.5m的矸石墻。西四壁采區工作面平面布置見圖1。

圖1　工作面及測點布置平面圖

2　矸石墻承載性能測試

為了研究矸石墻的承載特性及作用機理,對矸石墻的承載力和壓縮量進行了現場實測分析。

2.1矸石墻承載力測試分析

國內外尚缺乏針對矸石墻承載力測試的現場試驗,本文在底板比壓測試原理的基礎上,提出了一種矸石墻承載力的測試方法并設計了該測試系統。此系統如圖2所示,系統包括單體液壓支柱、測壓表、帶有焊接圓圈的鋼板。利用該系統對西四壁(下)工作面軌道巷矸石墻承載力進行測試,首先將準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,然后對單體液壓支柱補液,直至與頂板接觸,使單體液壓支柱具有一定的初撐力。待儀器安設好,記錄壓力表與壓入深度的原始讀數,再對單體液壓支柱補液使其按一定增量伸長(每次遞增20mm),并記錄兩次壓力表與支柱伸長度的觀測數據。

圖2　矸石墻承載力測試系統示意圖

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。峰值強度之前,承載力增長率逐漸增大,接近峰值強度時,增長率趨于平緩,峰值后,隨壓縮量增加,承載力逐漸減小。兩次測試分別在矸石墻的壓縮量達到180mm、120mm 時,承載力達到峰值6.5MPa、6.9MPa。取兩次測量結果的平均值6.7 MPa表征矸石墻的極限承載力。與剛性支護的承載力相比,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矸石墻壓縮量測試分析

采空區頂板斷裂后,維持巷道穩定的主要承載體僅為矸石墻,導致工作面后續推進過程中,矸石墻變形愈加嚴重。圖4為工作面軌道巷矸石墻壓縮量隨西四壁(下)工作面推進變化情況。

圖4　矸石墻壓縮量隨工作面推進變化情況

從圖4可以看出,隨著工作面的推進,矸石墻的壓縮變化趨勢可分為4個階段:微量增加段、緩慢增加段、快速增加段、平穩不變段。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,巖層處于不穩定狀態,運動較為劇烈,壓縮量也急劇增加;平穩不變段:隨著工作面的繼續推進,壓縮量繼續增加,當壓縮量達到140mm左右時,其壓縮量開始保持不變進入平穩不變段。

隨著工作面不斷推進,矸石墻的變形量呈非線性快速增長趨勢,與傳統剛性支護效果相比,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,需加大對此區域內矸石墻的維護。

3　沿空留巷矸石墻作用機理

3.1頂板－矸石墻相互作用機理

沿空留巷支護體系中,頂板－矸石墻相互作用充分發揮了矸石墻的柔性支護特點和頂板的自身承載能力。如圖5所示,隨著工作面的推進,頂板巖層運動主要發生3個階段的變化,分別為垮落區形成階段、基本頂破斷階段和錯動離層帶形成階段。在頂板巖層運動的過程中,其自身形成了4個區域:I垮落區、II煤壁支撐區、III破斷區、IV錯動離層區。

(1)垮落區形成階段。頂板在垮落區形成階段以旋轉下沉為主,來壓強度較小,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構,但與錨桿共同作用承擔巷道上方直接頂及其懸臂部分巖層的主要重量,緩解了巷內支護的壓力,增加了直接頂的自穩能力。

(2)基本頂破斷階段。基本頂發生破斷、失穩,回轉下沉劇烈。在基本頂運動穩定之前,矸石墻應具有足夠的可縮量以適應基本頂的回轉,通過適當的下縮讓壓,充分發揮圍巖的承載能力。同時,矸石墻還應具有足夠的輔助支護阻力參與頂板運動及平衡,以縮短過渡期頂板劇烈活動的時間,避免留巷頂板下沉量過大。

(3)錯動離層帶形成階段。基本頂已形成穩定結構,煤壁支撐區的承載應力逐漸增大,與矸石墻、巷旁輔助支護、巷內支護形成統一的支護體系,保證巷道圍巖的穩定,此時,矸石墻的支護阻力為冒落帶相應范圍內巖層的重量,所以,矸石墻在保持巷內穩定仍然起到不可或缺的作用。

圖5　頂板－矸石墻作用機理示意圖

3.2頂板－矸石墻結構模型

隨著回采工作面的推進,巷旁充填工程連續實施。矸石墻的承載作用與沿空留巷側向頂板運移規律緊密聯系。根據頂板－矸石墻相互作用機理建立頂板－矸石墻結構模型,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的垂直應力皆為σ。

圖6　沿空留巷頂板－矸石墻結構模型示意圖

根據頂板下沉的變形協調關系分析可得,基本頂下沉量計算:

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——基本頂到底板的距離;

h1——基本頂回轉后的觸矸高度;

h2——矸石墻欠接頂高度;

b——矸石墻高度;

εa——矸石墻的縱向應變;

εb——直接頂的縱向應變;

m——割煤高度。

由廣義胡克定律可知,矸石墻和直接頂的應力應變滿足以下關系:

式中:Ea——矸石墻的彈性模量;

Eb——直接頂的彈性模量。

聯立式(1)(2)(3)可得:

從式(4)可以看出,當現場工程條件確定時,矸石墻承載力的變化與頂板下沉量存在定量關系。

4　現場實測

本次現場實測選擇＋570m水平六石門三槽西四壁(下)工作面的軌道巷作為礦壓監測巷道,隨著工作面的回采在軌道巷內采用矸石袋充填進行沿空留巷。軌道巷全長160m左右,共布設8個測區,從下壁面切眼開始每隔20m布置一個測區,編號依次為1、2、3…、8。具體布置情況如圖1所示。

在1～8測區內布置頂底板移近量、兩幫移近量測點,在2測區(A)、4測區(B)、6測區(C)布置頂板離層監測點及鉆孔攝像測點。

監測結果表明頂底板移近量最大為115mm,兩幫移近量最大為124 mm,頂板最大離層量為5mm,同時鉆孔攝像結果表明頂板破裂帶較少,說明在采動影響下沿空巷道整體礦壓顯現平穩,沿空留巷效果較好。

5　結論

(1)對矸石墻承載力進行測試,結果表明,矸石墻承載力為6.7MPa,與傳統剛性支護相比,矸石墻起到了讓壓的作用。

(2)對矸石墻壓縮量隨工作面推進變化規律進行測試分析,結果表明在滯后工作面35～45 m 時,矸石墻壓縮量開始急劇增加,為確定矸石墻的加強支護時機提供了數據參考;矸石墻最大壓縮量達到了140mm,相比剛性支護,矸石墻支護具有較大的讓壓變形特性,表現出柔性支護的特點。

(3)建立頂板－矸石墻結構模型,給出了矸石墻承載力和頂板下沉量之間的定量關系。

(4)現場實測結果表明沿空留巷礦壓顯現平穩,頂板破裂帶少,留巷效果較好。

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(責任編輯張毅玲)

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TD353

文獻標識碼A

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