富康源煤業切頂沿空留巷合理充填體寬度研究

張志勇

(山西鄉寧焦煤集團東溝煤業有限公司,山西 臨汾 042100)

1 工程概況

富康源煤業2106綜放工作面回采煤層為1號、2號煤,其中,1號煤層位于山西組上部,煤層厚0～0.88 m,平均0.70 m,頂板巖性為泥巖、粉砂巖、細砂巖、炭質泥巖,底板巖性均為泥巖;2號煤層,位于山西組下部,下距K7砂巖約6 m左右,煤層厚度一般3.00～4.99 m,平均厚度3.46 m,頂板為泥巖,底板為泥巖,煤層結構較簡單。

2106綜放工作面巷道長度867 m,工作面切眼長度165 m,傾角5°～8°.工作面北部緊鄰2107備采工作面,南部為實體煤,西部為集中運輸巷及集中軌道巷、東部為原瑞政采空區。工作面采用走向長壁后退式綜采放頂煤工藝;采2號煤放1號煤,頂板管理為全部垮落法。為提高煤炭資源回收率,在相鄰工作面進行了沿空留巷試驗,由于煤層埋深較大(平均540 m),巷旁充填體出現了較嚴重的變形破壞,需頻繁補強支護,影響工作面正常推進,因此,需對2106工作面切頂下的巷旁合理充填體寬度進行研究。

2 理論分析

切頂卸壓和巷旁充填體均是控制沿空留巷圍巖穩定性的重要手段,其中,超前工作面預裂可以切斷工作面頂板與采空區側頂板間的應力傳遞,屬于主動卸壓的控制方法[1]。切頂后,頂板側向懸臂及上覆巖層載荷向下傳遞,此時,充填體和實體煤共同構成承載體系,由此,建立沿空留巷的“切頂+充填體”協同力學模型[2],如圖1所示。

圖1 “切頂+充填體”協同力學模型

如圖1所示,工作面回采后,上覆堅硬頂板斷裂并形成結構,其中,關鍵塊B的破斷長度可由下式計算[2-3]:

(1)

式中:l為工作面周期來壓步距,m;S為工作面的寬度,m.

圍巖大結構形成后,巷道實體煤側承受的載荷為[4]:

(2)

式中:c0為煤巖接觸面內聚力,MPa;φ0為接觸面內摩擦角,(°);px為實體煤幫的支護強度,MPa;h為巷道高度,m.

實體煤幫塑性區寬度x0可由下式計算[5]:

(3)

式中:k為應力集中系數;γ為上覆巖層平均容重,kN/m3;H為煤層埋深,m.

根據力學模型的平衡分析,巷旁充填體的支護阻力p應為:

(4)

式中:q為關鍵塊上覆載荷,MPa;σ為采空區承擔載荷,MPa;G為應力傳遞范圍內圍巖自重,MN;ft為巖體抗拉強度,MPa;k0為工作面側向壓力系數;γ1為巖塊碎脹容重,kN/m3;α為切頂角度,(°)。

則充填體寬度b應滿足:

p≤σ0b

(5)

式中:σ0為充填體的抗壓強度,MPa.

2106工作面切頂高度為10 m,切頂角度為30°,將其余相關參數分別帶入式(1)～式(5),整理得出切頂條件下的巷旁充填體最小寬度為1.9 m.

3 切頂參數模擬分析

3.1 建立模型

為了確定切頂條件下合理的充填體寬度,依據2106綜放工作面的實際賦存條件,采用FLAC3D數值模擬軟件建立模型,模型尺寸為:長×寬×高=150 m×60 m×1 m,根據工作面埋深,在模型頂部施加6.2 MPa的垂向應力以模擬覆巖壓力,約束模型四周的水平位移并固定模型底部的垂直位移。模擬中設置了側向切縫,切頂高度為10 m,切頂角度為30°,根據計算結果,設置充填體寬度分別為1 m、1.4 m、1.8 m、2.2 m、2.6 m及3 m,模型中充填體的抗拉強度取4.6 MPa,內聚力取5.4 MPa.

3.2 模擬結果分析

1) 圍巖應力分析。切頂條件下,不同充填體寬度留巷圍巖垂直應力分布情況如圖2所示。

圖2 沿空留巷垂直應力云圖

由圖2可知,由于充填體剛度較大,其承載特性與實體煤不同。當充填體寬度為1 m及1.4 m時,由于寬度較小,充填體承載能力較小,在頂板載荷的作用下發生破壞,導致應力集中向實體煤側轉移,充填體則處于卸壓狀態;當充填體寬度在1.8 m及以上時,充填體可承載單元面積增大,圍巖應力集中逐漸由實體煤側向充填體側轉移,且隨著充填體寬度的繼續增大,充填體內的應力集中程度及范圍也在降低。因此,充填體寬度在1.8 m以上時,巷道圍巖應力環境較好。

2) 塑性區分析。不同充填體寬度下的巷道圍巖塑性區分布如圖3所示。

圖3 沿空留巷塑性區分布情況

由圖3可知,當充填體寬度在1.8～3 m時,由于應力集中在充填體側,因此頂板塑性區主要集中在充填體上方,充填體寬度為2.6 m及3 m時,充填體上方頂板塑性破壞深度為5 m,實體煤幫的破壞深度均為2.7 m;充填體寬度為2.2 m及1.8 m時,充填體上方頂板塑性破壞深度分別降低至4.5 m及4 m,實體煤幫破壞深度仍為2.7 m.當充填體寬度為1～1.4 m時,由于充填體完全破壞不具備承載能力,因此頂板塑性破壞主要集中在實體煤上方,其破壞深度為5.5 m,而實體煤幫的破壞深度擴展至3.2 m.另外,隨著充填體寬度的增大,充填體內的塑性區面積逐漸縮小,當充填體寬度為1～1.8 m時,塑性區基本貫穿了整個充填體,當充填體寬度在2.2 m以上時,充填體內完整區域范圍逐漸擴大。

由塑性區模擬結果可知,充填體寬度為2.2 m時,充填體內存在一定范圍的彈性區,且頂板及實體煤側的破壞范圍相對較小。

3) 巷道變形量分析。圖4為不同充填體寬度下的巷道變形量統計。

圖4 沿空留巷圍巖變形量

由圖4可知,巷道表面變形量基本隨著充填體寬度的增大而逐漸減小,當充填體寬度為1 m及1.4 m時,巷道頂底板移近量分別為380 mm及350 mm,兩幫移近量分別為402 mm及320 mm,整體變形量較大;當充填體寬度增加至1.8 m時,巷道頂底板變形量為260 mm,兩幫移近量為100 mm,相比1.4 m寬度時分別降低了25.7%及68.8%,降低幅度較大;隨著充填體寬度的繼續增大,圍巖變形量的降低幅度不再明顯,且會增大經濟成本。

因此,綜合數值模擬結果,確定合理的充填體寬度為2.2 m.

4 現場實踐分析

4.1 圍巖控制方案

2106綜放工作面“切頂+充填”沿空留巷協同控制方案如圖5所示,首先在2106工作面回風巷向副幫側進行擴巷,隨后超前工作面布置預裂切頂孔,切頂高度為10 m,切頂角度為30°,并在工作面后方采用柔模構筑2.2 m寬的巷旁充填體。留巷區域打設單體補強支護,單體間距為1.4 m,排距為1 m,待留巷段圍巖穩定后逐個回收。

圖5 沿空留巷圍巖控制方案

4.2 圍巖控制效果分析

為驗證所選充填體寬度的有效性,在巷道內布置測點,分析巷道圍巖的變形情況,監測結果如圖6所示。

圖6 圍巖變形監測結果

由圖6可知,隨著工作面的推進,巷道圍巖初期變形量急劇增大,在滯后工作面60 m后逐漸趨于穩定,其頂底板最大移近量為640 mm,兩幫最大移近量為420 mm,整體變形量在允許范圍內,能夠滿足下個工作面的正常生產需求。

5 結 語

1) 根據富康源煤業2106綜放工作面的實際工程地質條件,通過理論分析,計算得出切頂條件下的巷旁充填體最小寬度為1.9 m.

2) 通過FLAC3D數值模擬軟件,分析了切頂后不同充填體寬度對圍巖的控制效果,確定出合理的充填體寬度為2.2 m.

3) 現場應用結果表明,采用“切頂+2.2 m寬充填”的沿空留巷協同控制方案后,留巷段圍巖頂底板最大移近量為640 mm,兩幫最大移近量為420 mm,能夠滿足下個工作面的正常生產需求。