巷道充填體假頂強度設計與充填工藝研究

馬清水，孫萬明

(1.神木隆德礦業有限責任公司，陜西 榆林 719300；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013；4.煤炭科學研究總院 開采設計研究分院，北京 100013)

充填假頂在煤礦、金屬礦工程中均有應用[1，2]。在金屬礦山領域，大規模嗣后充填開采過程中，事先構筑充填體假頂，采場不留頂底柱，充填體假頂在懸空條件下發揮承載作用，防止上部充填體與圍巖垮塌，研究的重點多是對充填體假頂的尺寸、強度及穩定性的分析和研究[3-6]；在煤礦領域，在井巷掘進、采煤作業過程中，受地質構造、采動等影響，頂板常遇到破碎、冒頂等不利條件，除了采用人工架設假頂的方法外，有些礦井采用了頂板注漿再造假頂的方式維護頂板，研究重點為注漿材料、強度及工藝等[7-9]。

煤礦為提高資源回收率，提高礦井經濟效益，計劃將206工作面回風巷進行臥底，臥底量2.0m，同時在原巷道頂板支護體下方構筑1.5m厚的充填體作為假頂以滿足生產對巷道尺寸的需要。與煤礦維護頂板的假頂不同，該假頂是為了滿足巷道尺寸而特意設置，假頂的強度設計及充填工藝均與一般的假頂有所區別。

針對工作面巷道頂板條件、回風巷支護強度、礦井工作面巷道圍巖變形實測規律，結合錨桿(索)支護強度理論[10，11]、材料力學對假頂強度進行分析設計，并結合礦井周邊原材料情況，研究確定了充填材料及工藝。

1 巷道概況

206工作面所采煤層傾角為0°～6°，平均3°，煤厚13.6～20.2m，平均厚18.3m，地面標高+853～+1073m，回采巷道底板標高為+364.4～+407.4m，煤層埋深491.0～690.0m，平均埋深590.5m。

1.1 煤層頂底板特征

老頂：砂泥巖互層，厚度：3.52～33.53m，平均厚度18.52m。巖性特征：砂泥巖互層：以灰黑色砂質泥巖為主，夾薄層淺灰色細砂巖，呈互層狀，水平～波狀層理。

直接頂：主要巖層以砂質泥巖為主，厚度：1.37～1.54m，平均厚度1.45m。巖性特征：灰黑色，含植物葉部化石，具水平～緩波狀層理，含砂量在20%左右。

直接底：泥巖，厚度：0.95～2.75m，平均厚度1.85m，巖性特征：深灰色，具水平層理，含黃鐵礦薄膜。

老底：砂質泥巖，厚度：17.4～19.18m，平均厚度：18.33m。砂質泥巖：褐灰色，以粘土成分為主，含砂量在30%左右，具豆狀結構，塊狀構造。

1.2 回風巷臥底充填前斷面及支護參數

206工作面回風巷長2230m。凈寬5m，凈高3.5m，凈面積為17.5m2。

回風巷支護材料及參數：①頂板支護采用錨桿壓鋼帶網支護，錨桿采用?18mm×3100mm無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間排距900mm×800mm，每排錨桿為6棵，每孔用K2350錨固劑三卷，頂網采用塑編網，網片規格為5400mm×1000mm；②兩幫支護：采用錨桿壓鋼帶網支護，兩幫錨桿采用?18×2100mm無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間排距1000mm×800mm。兩幫每側每排布置4棵錨桿，每棵錨桿采用K2350樹脂錨固劑兩卷錨固。兩幫采用雙向拉伸塑料網，網片規格為3600mm×1000mm。網片每隔300mm用10#鐵絲連接牢固；③頂板錨索支護：錨索布置三路，錨索間距1600mm，前后梁端頭間距900mm。錨索采用?17.8mm的預應力鍍鋅鋼絞線切制而成，長度6500mm，孔深6300mm，每孔裝入K2350樹脂錨固劑三卷。錨索梁采用高凸梯形鋼帶，錨索梁長度為2300mm，一梁兩孔，孔中心距為1600mm。

2 充填體假頂強度設計

回風巷臥底及充填假頂尺寸如圖1所示。回風巷長度2230m，臥底深度2.0m，充填假頂高度1.5m，超前支護方式為單體支柱。

圖1 回風巷充填體假頂及支護

以充填方式形成假頂后，要對新形成的假頂進行支護。采用錨桿壓鋼帶網支護，錨桿采用?18mm×2400mm無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間排距1000mm×1000mm，每排錨桿為4棵，每孔用K2350錨固劑兩卷，如圖2所示?，F場經錨桿拉拔試驗，未出現拔出現象，按照錨桿懸吊充填體自重并考慮2倍安全系數校核錨桿強度滿足支護要求。

巷道充填體假頂從支護完成至工作面回采結束的整個過程，主要承受的荷載有：①巷道頂板支護荷載，主要為錨桿拉力通過托盤對充填體造成的壓力；②回采過程中工作面超前支護荷載；③工作面端頭支架支撐力；④巷道圍巖變形引起的附加荷載，充填體假頂強度設計應滿足充填體在上述不同荷載作用下不會發生破壞的要求，并以其中荷載作用下充填體內部應力最大值作為充填體強度的下限值。

2.1 錨桿支護荷載分析

支護充填體的錨桿主要承受充填體假頂的自重(初錨力以安全系數考慮)，以此分析錨桿拉力對充填體假頂在托盤處形成的壓力。

結合錨桿支護懸吊理論，計算錨桿懸吊充填體假頂重量為：

G=9.8kBaγcHc/n=73.5kN

式中，k為安全系數，取2；B為支護頂板寬度，即巷寬，5m；a為錨桿排距，1.0m；γc為充填體密度，取2000kg/m3；Hc為充填體厚度，1.5m；n為每排錨桿數量，4。

按照錨桿托盤15cm×15cm的規格計算錨桿拉力對充填體產生的壓力為：

73.5×1000/(0.15×0.15)=3.3MPa

根據錨桿支護荷載分析結果，回風巷充填體假頂強度應不低于3.3MPa。

2.2 回風巷超前支護荷載

回風巷超前支護采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁支護，超前50m范圍內采用四排單體支柱按間距0.8m布置，共250棵。

對工作面超前50m的頂板壓力進行估算：

G=50KBHγy×9.8=61250kN

式中，G為頂板巖層重力，kN；K為最大來壓系數，取 2；H為垮落頂板厚度，5m；γy為巖體密度，取2500kg/m3。

工作面前50m充填體自重為：

Gc=50BcHcγc×9.8=7350kN

式中，Gc為充填體自重，kN；Bc為充填體寬度，m。

根據巷道頂板及充填體假頂自重荷載大小，計算得到平均每棵超前單體支柱的工作阻力為：

M=(G+Gc)/250=(61250+7350)/250=274.4kN

式中，M為支柱支護工作阻力，kN。

以鉸接頂梁與充填體接觸面積計算兩者間的接觸強度為：

σ1=M/(1000BjN)=3.4MPa

式中，Bj為頂梁寬度，m；N為單體支柱間距，m。

2.3 工作面端頭支架支撐力

根據工作面作業規程等資料，端頭支架支護強度在0.847～1.31MPa范圍內，因此，從端頭支架支護強度角度考慮，充填體強度應不低于1.31MPa。

2.4 巷道圍巖變形引起的附加荷載

回風巷充填體假頂形成以后，在工作面超前影響范圍內的巷道均將發生一定幅度的圍巖變形，而在工作面超前影響范圍以外的巷道所受影響很小。

由礦井其他工作面巷道收斂量觀測數據可知，工作面超前影響范圍一般為47～75m，工作面推過前后頂板下沉速度較快，下沉量也較大，實測頂板最大下沉量為220mm。

從材料力學角度分析，將超前影響范圍內的充填體假頂看作一端固支的懸臂梁，頂板對充填體的荷載簡化為均布荷載，梁兩端的相對位移為實測頂板下沉量，如圖2所示。

圖2 頂板壓力作用下充填體假頂受力變形

根據材料力學，在懸臂梁兩端相對位移已知條件下，將計算條件簡化后反算推演，得到充填體內部最大拉應力計算式如下：

式中，E為充填體彈性模量，MPa；H為充填體厚度，取1.5m；w為充填體撓度，m；l為充填體計算長度，m。

根據風積砂似膏體膠結充填體力學性能指標經驗數據，當充填體單軸抗壓強度達4～6MPa范圍時，彈性模量達1.0～1.7GPa，計算取1.7GPa。

根據實測巷道收斂量數據，選取最不利的情況，即超前影響47m、頂板累計下沉220mm，分析充填體內部應力。

依上式計算得到回風巷圍巖變形引起的充填體內部最大拉應力為0.51MPa。

綜合以上四種不同荷載條件下充填體假頂的受力分析結果可確定，回風巷充填體假頂抗壓強度應達3.4MPa以上，抗拉強度應達0.51MPa?？紤]一定的安全系數，充填體假頂的設計抗壓強度和抗拉強度分別為6.0MPa、0.8MPa。

3 假頂充填工藝

3.1 充填材料及系統

充填體假頂主要由鋼筋骨架和充填材料組成。經對礦井周邊充填原材料情況的初步調研以及結合煤礦常用充填材料及工藝[12-16]，初步確定以河砂、粉煤灰、水泥、外加劑和水作為原材料制備巷道假頂的充填材料，固料質量濃度在70%～75%之間，固料中：粉煤灰占35%，水泥(一般為325水泥)占10%，河砂占50%，速凝劑等添加劑占5%。將以上幾種原材料按照上述配比混合攪拌，形成一種膏狀漿體材料，再通過充填泵和管路把漿體輸送到巷道頂板待充填單元。充填單元是由頂板、煤壁和特殊的密封材料隔離形成的封閉充填空間。整個充填系統全部布置于井下，充填系統的主要由充填材料儲存、攪拌設備和泵送、管路系統組成。

3.2 充填空間構成及密封方式

充填空間主要由腳手架、模板、彈性密封墊等搭接構成密封空間，如圖3所示。其中，腳手架支撐模板及充填材料重量，密封墊用于填充模板與煤壁掏槽間的空隙和模板搭接縫隙。

圖3 充填空間及密封方式

密封工作的難點主要在于模板與兩側煤壁間的間隙，由于煤壁表面平整度較差，與模板結合后的縫隙較大。為此，可通過在兩幫沿模板水平位置掏槽，將模板外邊緣包裹密封材料后插入掏槽內，以此實現該位置的密封。

3.3 充填施工工藝

充填施工應分段按步距施工，施工順序應從切眼開始由內向外后退式進行。根據充填材料流動性、結實率、充填效率等，初步將充填步距確定為10m，根據實際施工效果可進行適當調整。具體的施工工藝過程為：①支設密閉空間，依次進行安裝腳手架、安裝鋼筋網、支設模板；②密封處理，在兩側煤壁分別沿底面模板位置水平方向和當前步距端頭模板位置豎直方向進行掏槽，對掏槽位置模板與煤壁之間、模板搭接縫隙用彈性密封墊進行密封；③充填材料制備、輸送、充填，根據巷道寬度、充填高度和充填步距估算充填材料方量，按照材料配比制備充填材料，并通過注漿泵和管路將材料注入頂板充填空間內；④充填體凝固；⑤頂板支護、拆模、拆除腳手架。每步距的充填工藝循環如圖4所示。

圖4 充填工藝

前一步距“充填體凝固”時，可進行下一步距“支設密閉空間”工序。相鄰步距的鋼筋網及充填體應做好搭接，以保證充填體假頂的連續性和完整性。

4 經濟效益初步分析

從資源回收量、充填成本、臥底及支護成本等方面分析回風巷臥底充填工程的經濟效益。

回風巷寬5.0m，長2230m，臥底深度2.0m，充填假頂高度1.5m，整條巷道臥底出煤量約2.9萬t，噸煤單價取400元/t；充填材料成本根據材料用量和單價計算，根據材料配比和以往充填材料成本統計數據，充填材料成本取100元/m3，充填設備折舊、人工、電費等費用取20元/m3，則假頂充填成本為120元/m3，巷道假頂充填材料量為1.67萬m3；臥底出煤成本取100元/t；假頂支護成本主要為每米巷道4根錨桿的材料和施工費用，取350元/m?；谝陨蠑祿嬎愕玫交仫L巷臥底、充填假頂工程可實現利潤約592萬元，單位進尺的利潤約2655元/m。

5 結 論

1)從巷道充填體假頂承受的錨桿(索)支護荷載、超前單體支柱支護荷載、工作面端頭支架支護強度、巷道圍巖變形引起的附加荷載綜合分析，充填體假頂設計抗壓強度為6.6MPa、抗拉強度為0.8MPa。

2)結合煤礦常用充填材料及工藝，研究確定了充填體假頂的充填材料、充填系統、充填步距、充填空間支設、密封處理、充填工序等。

3)巷道充填體假頂強度分析設計方法及充填工藝可為類似條件巷道、破碎頂板巷道維護等提供有益借鑒。

4)類似工程的實施應從實施目的、資源回收量、充填成本、支護成本、生產效率等方面綜合分析工程的必要性和可行性。