綜放沿空留巷巷旁充填體設(shè)計(jì)研究

李懷淵(山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 水峪煤業(yè)，山西 孝義 032300)

綜放沿空留巷巷旁充填體設(shè)計(jì)研究

李懷淵
(山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 水峪煤業(yè)，山西 孝義 032300)

為了確定深井綜放面沿空留巷巷旁支護(hù)體合理參數(shù)，基于某礦2302工作面實(shí)際情況建立了數(shù)值分析模型，確定了能夠滿(mǎn)足2302工作面前期切頂、后期保持基本頂穩(wěn)定的支護(hù)體所需支護(hù)阻力，選擇了矸石膠結(jié)充填材料，確定了支護(hù)體的材料配比，并分析了不同充填體寬度下應(yīng)力峰值、頂?shù)装逡平?、兩幫移近量等參?shù)，確定了合理支護(hù)體寬度為1.6 m. 現(xiàn)場(chǎng)使用效果表明，該支護(hù)體寬度的選擇能夠有效控制圍巖變形。

綜放沿空巷道；巷旁充填；矸石膠結(jié)；支護(hù)阻力；充填體寬度

1 工作面概況

某礦2302工作面采用綜采放頂煤工藝，走向長(zhǎng)2 570 m，傾向長(zhǎng)258 m，采深810 m，煤厚9 m，傾角0～6°，平均3°，巷道斷面為矩形，凈寬4.5 m，凈高3.5 m，采用錨網(wǎng)帶索支護(hù)方式，并配錨桿錨索加強(qiáng)支護(hù)，煤容重為1.39 t/m3，根據(jù)工作面情況，沿空留巷模型見(jiàn)圖1. 煤層頂?shù)装鍘r性特征見(jiàn)表1.

圖1 沿空留巷平面示意圖

2 巷旁充填體阻力計(jì)算

2.1巷旁充填體前期切頂阻力計(jì)算

巷旁填充體力學(xué)模型見(jiàn)圖2.

巷旁充填體前期需要一定的支護(hù)阻力來(lái)切斷直接頂，以使破碎的直接頂與煤壁共同支撐基本頂，考慮煤壁的支撐作用，前期巷旁充填體阻力計(jì)算公式[1，2]：

(1)

表1 頂?shù)装鍘r性特征表

圖2 力學(xué)模型圖

式中：

F1—前期巷旁支護(hù)阻力，N；

k—應(yīng)力增高系數(shù)，取1.7；

q—直接頂巖層荷載，q=γh(γ為直接頂容重，kN/m3，取25；h為直接頂厚度，m，取2.7)；

M—直接頂巖層在煤壁前方彈塑性交界處的殘余彎矩；

a—巷道維護(hù)寬度，m，取4.5；

b—巷旁充填體寬度，m，取1.5；

x0—巷旁煤體塑性區(qū)寬度，m，取9.0；

σ—巷旁塑性區(qū)煤體對(duì)頂板的支撐強(qiáng)度，MPa，取2.33.

2.2后期保持基本頂穩(wěn)定的巷旁支護(hù)阻力計(jì)算

(2)

式中：

Tb=Lq0(h-ΔSc)/2

Ma、Mb—基本頂巖塊B兩端的殘余彎矩，取0；

Tb—基本頂巖體B受C的側(cè)向水平推力；

h—基本頂巖層厚度，m取4.1；

ΔSc—基本頂巖塊C的下沉量；

ΔSb—基本頂巖塊B右端的下沉量，取0；

q0—基本頂及上覆巖層的平均載荷，m，取4.1，埋深取810 m，根據(jù)公式q0=γh0算得，γ=25 kN/m3，h0=4.1+810=814.1 m；

L—基本頂巖塊B和巖塊C的長(zhǎng)度，即基本頂周期來(lái)壓步距，算得16 m；

Nb—巖塊B對(duì)巖塊C的側(cè)向剪切力。

按以上參數(shù)帶入計(jì)算式，得到前期巷旁支護(hù)切頂阻力F1=7 560 kN/m，后期巷旁支護(hù)阻力F2=12 150 kN/m，充填體寬度按1.5 m計(jì)算，則前期巷旁支護(hù)強(qiáng)度5.1 MPa，后期巷旁支護(hù)強(qiáng)度8.1 MPa.

3 充填材料的制備與配比

由文獻(xiàn)[3]可知，矸石膠結(jié)巷旁充填體初始強(qiáng)度可達(dá)5.6 MPa，后期強(qiáng)度達(dá)到14 MPa，能夠滿(mǎn)足支護(hù)體對(duì)支撐力的要求，同時(shí)由于其取材方便，采出的矸石不需要再運(yùn)輸提升至地面，因此成本最低，所以最終選用矸石膠結(jié)充填工藝。

在矸石膠結(jié)充填成本中，水泥費(fèi)用所占比例最大，因此在保證留巷安全的條件下，為節(jié)約成本，水泥的用量應(yīng)該盡可能小，在矸石膠結(jié)充填材料中，水泥用量一般為材料總重量的3%～5%，此外，火山灰、粉煤灰、爐渣等也具有一定的膠結(jié)性能，可部分替代水泥，減少水泥消耗量，減低成本，這些材料還可以填充大塊骨料之間的間隙，增大充填密實(shí)度。

由于綜放面沿空留巷對(duì)充填體強(qiáng)度有較高的要求[4]，而充填體強(qiáng)度又與骨料的顆粒度有直接聯(lián)系，骨料的顆粒度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致料漿離析分層，從而巷旁充填體的密實(shí)度降低，導(dǎo)致巷旁充填效果差，除此之外，最大顆粒度應(yīng)滿(mǎn)足充填系統(tǒng)輸送的需要，顆粒度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致管道堵塞，據(jù)相關(guān)煤礦實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，初步確定矸石粗細(xì)骨料配比，即-30 mm矸石集料：分級(jí)尾砂=50 μm，水泥消耗量190～210 kg/m3，粉煤灰∶水泥=1∶1.

據(jù)相關(guān)煤礦實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，細(xì)骨料與粗骨料的比例要符合要求，即+5 mm粗骨料占比約為75%，-5 mm細(xì)骨料占比約為25%.

充填料漿的濃度對(duì)充填系統(tǒng)能否正常運(yùn)行具有重要意義，在矸石膠結(jié)充填過(guò)程中，應(yīng)該盡量采用較高濃度料漿充填，這樣既能提高充填體強(qiáng)度，又能減小料漿發(fā)生離析分層的可能性，還可以減少水泥用量以達(dá)到節(jié)約成本的目的。在已采用矸石膠結(jié)充填的礦井中，充填料漿的濃度可以達(dá)到90%.而充填料漿的濃度又不能過(guò)大，其濃度應(yīng)該保證料漿具有良好的流動(dòng)性，這樣才能夠在澆注時(shí)通過(guò)矸石間隙，提高巷旁充填體的密實(shí)度，與矸石形成一個(gè)致密的充填體。

4 巷旁充填體寬度的確定

巷旁充填采用矸石膠結(jié)材料，巷旁充填參數(shù)主要考慮充填體寬度，在此結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬軟件[5]，提出5個(gè)充填體寬度對(duì)比方案，如下所示：

根據(jù)地質(zhì)條件，將模型劃分為7層，為模型簡(jiǎn)化，采用0度建模，brick模型長(zhǎng)寬高分別為260 m、300 m、150 m，巷道的寬和高分別為4.5 m、3.5 m，回風(fēng)平巷的位置為x(0，260)，y(270，274.5)，z(38.5，47.5)，充填體寬度為1.5 m，位于回風(fēng)平巷采空區(qū)側(cè)。巖體力學(xué)參數(shù)表見(jiàn)表2.

表2 巖體力學(xué)參數(shù)表

具體模擬方案如下：

方案一：充填體寬度1.2 m

方案二：充填體寬度1.4 m

方案三：充填體寬度1.6 m

方案四：充填體寬度1.8 m

方案四：充填體寬度2.0 m

應(yīng)力峰值見(jiàn)表3.

由表3可以看出，隨充填體寬度的增加，應(yīng)力峰值不斷變大，變化倍數(shù)在不斷減小。

不同充填體寬度條件下2302工作面回風(fēng)平巷巷道的頂板移近量、底板移近量、頂?shù)装逑鄬?duì)位移量見(jiàn)表4.

表3 不同充填體寬度條件下應(yīng)力峰值表

表4 不同充填體寬度對(duì)頂?shù)装逡平康挠绊懬闆r表

由表4可以看出，充填體寬度從1.2 m變化到1.4 m，頂板移近量、底板移近量、頂?shù)装逑鄬?duì)移近量變化較為明顯，充填體寬度從1.4 m增加到1.6 m，頂板移近量、底板移近量、頂?shù)装逑鄬?duì)移近量變化也較為明顯，而從1.6 m變化到1.8 m以及從1.8 m增加到2.0 m時(shí)，變化不如前兩次明顯，證明充填體寬度的增大對(duì)巷道的支護(hù)作用不明顯。

不同充填體寬度條件下2302工作面回風(fēng)平巷巷道的充填體幫移近量、實(shí)體煤幫移近量、兩幫相對(duì)移近量見(jiàn)表5.

表5 不同充填體寬度對(duì)兩幫移近量的影響情況表

由表5的數(shù)據(jù)可以看出，充填體寬度從1.2 m變化到1.4 m，充填體幫移近量、實(shí)體煤幫移近量、兩幫相對(duì)移近量變化較為明顯，充填體寬度從1.4 m增加到1.6 m，充填體幫移近量、實(shí)體煤幫移近量、兩幫相對(duì)移近量變化也較為明顯，而從1.6 m變化到1.8 m以及從1.8 m增加到2.0 m時(shí)，變化不如前兩次那么明顯，證明充填體寬度的增大對(duì)巷道的支護(hù)作用不明顯。

綜上分析，為了使2302工作面巷道位移盡可能小，并且減小材料與資金的消耗，充填體寬度取1.6 m最為合適。

目前，2302工作面已經(jīng)回采結(jié)束，留巷巷道沒(méi)有進(jìn)行二次維護(hù)并且滿(mǎn)足工作面回采要求，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作面回采時(shí)巷道兩幫最大移近量為350 mm，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?40 mm，沿空留巷取得成功。

5 結(jié) 論

現(xiàn)階段煤礦廣泛選用矸石膠結(jié)充填作為巷旁充填方式。本文對(duì)充填材料的制備與配比進(jìn)行了分析，數(shù)值模擬了不同充填體寬度下留巷圍巖變形量，通過(guò)對(duì)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并綜合考慮支護(hù)效果與資金消耗，確定了最佳充填體寬度取1.6 m，且現(xiàn)場(chǎng)使用效果表明，該支護(hù)體寬度的選擇能夠有效控制圍巖變化。

[1] 陳明陽(yáng).基于薄板理論的條帶充填寬度研究[J].能源技術(shù)與管理,2016(4):38-39.

[2] 柳宏儒.條帶充填法煤柱穩(wěn)定性影響因素?cái)?shù)值模擬試驗(yàn)研究[D].沈陽(yáng):東北大學(xué),2008.

[3] 肖永生.粉煤灰充填材料管道輸送特性及其應(yīng)用研究[D].太原:太原理工大學(xué),2016.

[4] 張東升.繆協(xié)興.綜放沿空留巷充填體穩(wěn)定性控制[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003(3):52-54.

[5] 呂富強(qiáng).動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)充填體穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬研究[J].西部探礦工程,2016(10):53-55.

ResearchonDesignofFillingBodysbesideRoadwaysinFully-mechanizedCavingRoadway

LIHuaiyuan

The numerical analysis model was built based on the actual situation of 2302 working face. The gangue is chosen as backfill materials with cementation of other materials in a certain proportion. The reasonable supporting body width is 1.6 m. The result indicates that the width for backfill support control the deformation of surrounding rock effectively.

Fully-mechanized caving roadway; Roadside filling; Coal gangue; Supporting resistance; Filling belt width

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

2017-08-03

李懷淵(1974—)，男，山西平遙人，2015年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工程師，主要從事煤礦安監(jiān)工作，(E-mail)zfg3259@163.com

TD853.34

B

1672-0652(2017)10-0037-04