局部充填過空巷技術充填體參數研究

蘇 冉

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

1 工程概況

圖1 10-102綜采工作面與三條空巷位置示意圖

木瓜煤礦為了減少南區左翼下組煤采區雙翼布置工作面時搬家到面的工作量，縮短準備作業時間，由雙翼布置改為單翼布置，以此提升該礦煤炭開采效率，改變工作面的布置方式后導致10-102綜采工作面在回采過程中會穿過軌道巷、尾巷下料巷、皮帶巷三條巷道，該工作面開采近水平厚煤層，有6m厚的老頂，為深灰色的石灰巖，6.8m厚的直接底，為灰黑色的泥巖。工作面回采至距空巷較近距離時，超前支承壓力作用在空巷周圍可導致空巷內片幫甚至頂板垮落，存在較大安全隱患，擬采取充填措施避免回采過程中空巷發生變形垮塌的現象。

2 空巷內局部充填力學分析及參數設計

為了在保證安全的前提下，擬采取空巷內局部充填的技術[1-2]減少10-102綜采工作面過空巷產生的費用。

2.1 空巷充填力學分析

建立巷內局部充填頂板力學模型時，可將空巷圍巖視作一個彈性損傷體[1-2]。空巷內充填有具有一定強度的膏體材料時，會提升巷道圍巖的極限承載能力，并限制圍巖在應力作用下的形變。空巷的圍巖會在覆巖載荷q的加載作用下，逐步的損傷破壞，當加載所產生的位移超過空巷圍巖的極限位移時，圍巖就會發生破壞，其力學模型如圖2所示。空巷直接頂可以簡化為厚度為h的兩端彈性嵌簡支承梁，Fy表示該梁所受垂直力，充填體的寬高分別為a、b，力學模型中不考慮充填的變形，故將充填體的中心視作簡支端。

圖2 空巷充填頂板力學模型

2.2 局部充填充填體間距分析

空巷內充填體對頂板產生局部載荷q1的反作用力，平衡方程式1是對圖2進行整體分析所得：

圖3 任意i-i截面彈性嵌簡支承梁的受力分析

彈性嵌簡支承梁任意i-i截面的受力分析如圖3所示，Fi表示力，Mi為彎矩，彎矩和力的平衡方程如下式所示：

通過式2可進一步得到該梁i-i截面上彎矩的計算公式：

假設該簡支撐梁僅發生彎曲變形，該梁上任意i-i截面所受正應力由式4可得：

式中：σd表示該梁所受正應力；Mi是由式3計算得到該梁i-i截面上的彎矩；y表示該兩端彈性嵌簡支承梁上任一點與中性軸之間的距離；I表示對中性軸的慣性矩。

將式3代入式4即可推導出σd的計算公式：

空巷頂板巖層中，下方巖層受拉，上方巖層受壓，二者界限為頂板巖層中的中性軸，當空巷充填體上方頂板產生拉破壞的深度恰好等于空巷頂板最大錨固范圍時，空巷頂板便不會發生垮塌，故通過式6可以計算出空巷局部充填時的最大間距。

式中：h0表示工作面所過空巷支護體系中頂板錨固區的深度。要得到空巷局部充填時的最大間距，聯立式5和式6即可式7：

由式7計算得到a=-8m和12.1m，由于充填體的寬度為正數，故得到合理的空巷局部充填時的最大間距為12.1m。

因此，在木瓜煤礦10-102綜采工作面采用局部充填技術過空巷時，使充填體間距不大于12.1m可保證空巷頂板產生拉破壞的深度小于其頂板中最大錨固范圍，兩塊充填體之間最大拉應力出現的區域為充填體之間頂板中部，并且此時兩塊充填體之間最大拉應力小于煤層直接頂的最大抗拉強度，故巷道頂板不會發生垮落破斷。

3 空巷內局部充填體參數設計

3.1 模型建立

圖4 三種充填體長度的局部充填方案

理論計算所得能保證空巷穩定的充填體最大間距為12.1m，但是考慮到實際工程應用中需留有一定的安全系數[3]，故最終確定實際工程應用中空巷內充填體的最大間距應為8m。充填體自身的長度對其強度由一定影響，現確定充填體強度為3MPa，設計充填體長度為6m、8m、10m，間距均為8m的三種方案，如圖4所示。基于10-102工作面具體地質條件，運用FLAC3D軟件建立四周限制位移、設置巷道圍巖承數值為1的側壓系數和11MPa的覆巖載荷，長310m、高50m、寬220m，共1344500個網格的數值模型[4]來研究不同充填體長度對空巷的穩定性的影響。

3.2 分析不同充填體長度對過空巷時頂板下沉量的影響

空巷的存在會導致10-102綜采工作面回采至距離空巷較近距離時，由于支承壓力的異常，空巷周圍塑性區擴展，可能導致空巷支護體系失效，從而使較大的壓力直接作用于工作面頂板，因此可以通過分析過空巷時不同充填體長度下工作面頂板下沉情況得到合理的充填體長度，圖5所示為距空巷10m時不同充填體長度下工作面頂板下沉量模擬所得曲線。

圖5 距空巷10m時不同充填體長度下工作面頂板下沉量

觀察圖5可發現：當空巷內充填體間距均為8m，10-102工作面回采至距空巷10m的條件下：充填體長度為6m時，工作面頂板下沉速率較快，頂板下沉量為320mm；充填體長度為8m時，工作面頂板下沉速率明顯低于6m充填體下頂板的下沉速率，并且頂板下沉量僅為142mm，較6m充填體下降55.6%；充填體長度為10m時，工作面頂板下沉速率較8m充填體下頂板的下沉速率并無較大變化，并且頂板下沉量為130mm。通過分析發現8m長的充填體可以滿足工作面回采過程中頂板下沉量控制在允許范圍內，且10m長充填體并沒有產生更大的支撐效果，故最終確定空巷內充填體長度為8m、間距為8m時，可以滿足工作面過空巷的要求。

3.3 應用效果分析

現場在空巷內應用充填體長度為8m、間距為8m的充填參數進行施工后，10-102綜采工作面面正常推進，在工作面液壓支架中上、中、下3個區域各安裝3個YHY-604型液壓支架測力儀分析10-102工作面距空巷一定距離時、通過空巷時及通過空巷后液壓支架的受力情況，數據如表1所示。

表1 10-102工作面過空巷時液壓支架受力的變化情況

通過表1可以看出:10-102綜采工作面從距空巷40m至距空巷10m過程中，整個工作面支架受力均勻，隨著工作面逐漸推至空巷，液壓支架的受力逐漸升高，但均未達到安全閥開啟的限度。工作面回采至空巷時，平均支架壓力為32.6MPa，較距空巷40m時的平均支架壓力上升9.7%，且過空巷過程中并沒有安全閥開啟，工作面推過空巷后，支架的平均壓力下降至與過空巷前基本相同，工作面順利安全的通過空巷。

4 結論

本文對空巷充填時頂板力學模型進行分析，通過計算確定了局部充填時8m的充填體間距，進一步運用FLAC3D軟件建立工作面過局部充填巷道模型來研究不同充填體長度對空巷的穩定性的影響，得出合理的充填體長度應為8m。現場空巷內按充填體長度8m、間距8m的參數進行施工后分析工作面過空巷時液壓支架的受力情況，可發現工作面推至空巷時平均支架壓力較距空巷40m時上升9.7%，且過空巷過程中并沒有安全閥開啟，該施工參數可保證工作面順利安全的通過空巷。