慈林山煤礦高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)研究

宋江濤

(山西潞安礦業(yè)集團(tuán) 慈林山煤業(yè)有限公司 慈林山煤礦,山西 長(zhǎng)治 046000)

作為一種典型的無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù),沿空留巷在提高資源回收效率、緩解采掘接續(xù)緊張和實(shí)現(xiàn)工作面“Y”形通風(fēng)等方面表現(xiàn)出顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[1-4]。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者圍繞沿空留巷技術(shù)的基礎(chǔ)理論和工程實(shí)踐開展了大量的研究工作,并取得了顯著的成果[5-7]。理論研究結(jié)果表明:從空間上看,沿空留巷的巷旁充填體通常位于采空區(qū)或采空區(qū)邊緣,可以有效地避開工作面支承壓力的影響。然而,不同于傳統(tǒng)的煤柱護(hù)巷,沿空巷道在時(shí)間上不可避免地要經(jīng)受多個(gè)工作面的采動(dòng)影響。沿空留巷所處的這種特殊的時(shí)空關(guān)系導(dǎo)致其在整個(gè)生命周期內(nèi)圍巖整體變形較大。

作為沿空留巷的重要組成部分,巷旁充填體的發(fā)展一直是沿空留巷技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。過(guò)去數(shù)十年里,巷旁充填結(jié)構(gòu)先后經(jīng)歷了木垛、單體液壓支柱、混凝土、鋼管混凝土等[8-9]階段,在不同頂板條件下實(shí)現(xiàn)了煤炭資源的安全高效開采。與其他的巷旁充填技術(shù)相比,采用水灰比高、凝固時(shí)間短、早期強(qiáng)度高、縱向變形能力大的高水材料構(gòu)筑巷旁充填體具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[10-11]。目前,高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)在我國(guó)深部礦井、復(fù)合頂板和堅(jiān)硬頂板礦井先后取得了良好的應(yīng)用效果[12-14]。

本文以山西潞安集團(tuán)慈林山煤礦9#煤層半煤巖巷道為工程背景,以緩解礦井采掘接續(xù)緊張為目標(biāo),在系統(tǒng)分析試驗(yàn)巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件和煤巖力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,采用理論計(jì)算的方法獲得了沿空留巷所需的巷旁支護(hù)阻力。在此基礎(chǔ)上,借助三維數(shù)值計(jì)算軟件,研究巷旁充填體強(qiáng)度、寬度和頂板支護(hù)條件對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。

1 試驗(yàn)巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件

山西潞安集團(tuán)慈林山煤礦位于山西省長(zhǎng)治市,平均埋深200 m。礦井目前主要開采9#和15#煤層。其中,9#煤層為條帶狀結(jié)構(gòu),平均厚度1.6 m,平均傾角3°。如圖1所示,9#煤層上方依次為4.6 m厚的灰?guī)r,11.4 m厚的泥巖和0.2 m厚的砂質(zhì)泥巖。煤層底板為3.0 m厚的K4深灰色石灰?guī)r。受煤層厚度影響,9#煤層回風(fēng)順槽為半煤巖巷道,巷道掘進(jìn)工程量大,掘進(jìn)速度慢,嚴(yán)重影響了礦井正常的采掘接續(xù)。

(a) 工作面采掘接續(xù)圖

(b) 工作面鉆孔柱狀圖圖1 工作面采掘接續(xù)及鉆孔柱狀圖Fig.1 Mining-excavation and drilling histogram of working face

在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,計(jì)劃在9107工作面回風(fēng)順槽(半煤巖巷道)開展沿空留巷技術(shù)。9107工作面回采長(zhǎng)度970 m,切眼長(zhǎng)度150 m;9107工作面西側(cè)為9#煤層南翼皮帶大巷、9#煤層南翼回風(fēng)大巷,東側(cè)為慈林山煤礦井田邊界,北側(cè)為9105工作面采空區(qū),南側(cè)為9109接替工作面。9107回風(fēng)順槽沿頂臥底掘進(jìn),巷道斷面為矩形斷面(寬度4.3 m,高度2.4 m),采用錨網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù),如圖2所示。

圖2 9107工作面回風(fēng)順槽支護(hù)圖Fig.2 Support of return air gateway of 9107 working face

2 巷旁支護(hù)阻力的理論計(jì)算

巷旁充填支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力直接關(guān)系到沿空留巷技術(shù)的成功實(shí)施。采用圖3所示的理論模型計(jì)算9107工作面回風(fēng)順槽沿空留巷所需的最小巷旁阻力(Pq)。

圖3 沿空留巷力學(xué)模型[6]Fig.3 Mechanical model of gob-side entry retaining

(1)

式中：Pq為沿空留巷巷旁支護(hù)體切斷弧形三角塊時(shí)的工作阻力，N；ML為采空區(qū)側(cè)上覆基本頂巖層發(fā)

生斷裂前的最大彎矩，N·m；τC為采空區(qū)側(cè)受到的剪切力，N；q為單位長(zhǎng)度上覆巖層自重力對(duì)直接頂?shù)淖饔茫琋/m；α為工作面煤層傾角，(°)；l為BC巖塊長(zhǎng)度，m；x0為應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度，m；c為沿空留巷實(shí)際寬度，m；d為設(shè)計(jì)支護(hù)體寬度，m；q0為單位長(zhǎng)度的直接頂自身質(zhì)量，kg/m；qy為沿空留巷下側(cè)媒體支撐壓力，N/m；x為直接頂斷裂位置距實(shí)體煤幫的距離，m；FC為沿巖層方向的推力，N；h為工作面與基本頂之間的距離，m；ΔSB為上覆基本頂巖層第二次斷裂時(shí)，B端的下沉量，m；M0為基本頂三角塊結(jié)構(gòu)斷裂后的殘余彎矩，N·m。

結(jié)合9107工作面回風(fēng)順槽實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件和煤巖體力學(xué)參數(shù),采用上述計(jì)算公式,得到所需的最小巷旁支護(hù)阻力為8.8 MN/m。

3 巷旁支護(hù)體關(guān)鍵參數(shù)研究

3.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

根據(jù)慈林山煤礦采掘接續(xù)關(guān)系和礦井綜合柱狀圖,采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件,建立圖4所示的三維計(jì)算模型。其中,模型長(zhǎng)度為150 m,沿空巷道(寬×高=4.3 m×2.4 m)兩側(cè)工作面傾斜長(zhǎng)度各取75 m,模型高度73.4 m。該數(shù)值計(jì)算模型共劃分為8層,每層由寬度0.50 m和高度0.25 m的網(wǎng)格組成。根據(jù)實(shí)際開采條件,模型上部采用應(yīng)力邊界進(jìn)行控制。按照平均埋深200 m計(jì)算并施加垂直于模型頂板的應(yīng)力。模型四周和下部邊界采用位移邊界進(jìn)行固定。

圖4 9107工作面數(shù)值模擬模型Fig.4 Numerical simulation model of 9107 working face

通過(guò)開展慈林山煤礦煤巖力學(xué)性能測(cè)試,得到表1所示的包括彈性模量和抗拉強(qiáng)度在內(nèi)的數(shù)值模擬物理力學(xué)參數(shù),以用于數(shù)值計(jì)算。

表1 數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of numerical simulation

3.2 充填體關(guān)鍵參數(shù)的確定

為保證9107工作面回風(fēng)順槽巷旁支護(hù)阻力不低于8.8 MN/m,當(dāng)巷旁充填材料強(qiáng)度取8 MPa時(shí),充填體的理論寬度為1.2 m。取安全系數(shù)為1.2,可知9107工作面沿空留巷充填體寬度為1.4 m。為進(jìn)一步優(yōu)化并確定科學(xué)合理的巷旁支護(hù)參數(shù)并降低支護(hù)成本,采用數(shù)值計(jì)算的方法研究充填體強(qiáng)度、寬度和頂板支護(hù)條件對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性控制的影響。

3.2.1數(shù)值模擬方案

方案1:固定充填體的寬度為1.4 m,研究不同充填材料強(qiáng)度(10 MPa、8 MPa和6 MPa) 條件下巷旁充填體的受力特征和巷道圍巖變形規(guī)律。

方案2:固定充填材料強(qiáng)度(8 MPa),改變充填體寬度(1.8 m、1.4 m和1.0 m),研究不同充填體寬度條件下巷旁充填體的受力特征和巷道圍巖變形規(guī)律。

方案3:固定充填材料強(qiáng)度(8 MPa)和充填體寬度(1.4 m),研究不同頂板支護(hù)條件下巷旁充填體的受力特征和巷道圍巖變形規(guī)律。

具體的數(shù)值模擬方案如表2所示。

表2 數(shù)值模擬方案Table 2 Numerical simulation plans

3.2.2充填體強(qiáng)度參數(shù)

1)不同巷旁充填體強(qiáng)度條件下巷道圍巖變形情況。如圖5所示,當(dāng)充填體強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),巷道圍

巖變形情況出現(xiàn)顯著區(qū)別。當(dāng)巷旁充填體強(qiáng)度較小時(shí)(6 MPa),充填體由于無(wú)法承受工作面上覆巖層在旋轉(zhuǎn)下沉和切斷過(guò)程中的壓力,而出現(xiàn)顯著的側(cè)向變形和縱向壓縮;巷道頂板出現(xiàn)不規(guī)則下沉,靠近采空區(qū)側(cè)頂板下沉明顯,巷道維護(hù)相對(duì)困難。當(dāng)巷旁支護(hù)體強(qiáng)度大于或等于理論計(jì)算所需的最小充填體強(qiáng)度(8 MPa)時(shí),充填體的變形情況有所改善。當(dāng)巷旁充填體提供的承載力足以抵抗工作面頂板的旋轉(zhuǎn)變形時(shí),充填體兩側(cè)的非對(duì)稱變形的差異性將有所減小。盡管隨著充填體強(qiáng)度的增加,巷道圍巖變形情況有所改善,但當(dāng)充填體強(qiáng)度增加到一定程度后,巷道整體變形量的減小程度不夠明顯?？紤]到使用較高強(qiáng)度的充填體將直接導(dǎo)致充填成本的增加,因此單純通過(guò)提高巷旁充填體的強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定性控制的經(jīng)濟(jì)性較低。

2)不同巷旁充填體強(qiáng)度條件下巷道圍巖應(yīng)力分布特征。圖6為采用不同充填體強(qiáng)度條件下巷道圍巖垂直應(yīng)力的分布特征?？梢钥闯?巷旁充填體在空間位置上始終處于應(yīng)力降低區(qū)。此外,作用在實(shí)體煤側(cè)的垂直應(yīng)力大于作用在巷旁充填支護(hù)體上的應(yīng)力。由于部分荷載通過(guò)頂板巖層傳遞到實(shí)體煤側(cè),導(dǎo)致工作面實(shí)體煤側(cè)出現(xiàn)了較大程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此需要對(duì)實(shí)體煤側(cè)采取相應(yīng)的加強(qiáng)支護(hù)措施。進(jìn)一步比較巷旁充填體上方垂直應(yīng)力的大小可以看出:隨著充填體強(qiáng)度增加,作用在充填體上方的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。從切斷工作面上覆巖層頂板角度而言,有必要進(jìn)一步提高充填體的強(qiáng)度。然而,充填體強(qiáng)度的增加將直接導(dǎo)致沿空留巷成本的增加。通過(guò)比較不同充填體強(qiáng)度條件下充填體的變形特征和巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律,從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度出發(fā),初步確定巷旁充填體的強(qiáng)度為8 MPa。

圖5 不同巷旁支護(hù)體強(qiáng)度下留巷穩(wěn)定時(shí)圍巖變形圖Fig.5 Surrounding rock deformation of stable gob-side entry retaining under different roadway support strengths

圖6 不同巷旁支護(hù)體強(qiáng)度下留巷穩(wěn)定時(shí)垂直應(yīng)力分布圖Fig.6 Vertical stress distribution of stable gob-side entry retaining under different roadway support strengths

3.2.3充填體寬度參數(shù)

1)不同巷旁充填體寬度條件下巷道圍巖變形特征。圖7為充填體強(qiáng)度為8 MPa時(shí),不同巷旁充填體寬度條件下的巷道圍巖變形情況。當(dāng)巷旁充填體的寬度較小時(shí) (小于1.0 m),巷旁充填體承載能力相對(duì)較小(與理論計(jì)算結(jié)果一致)；當(dāng)巷旁充填體承載能力較小時(shí),巷旁充填體提供的切頂阻力無(wú)法有效地切斷巷道頂板,巷道頂板的旋轉(zhuǎn)變形將直接作用在巷旁充填體上方,導(dǎo)致巷旁充填體的側(cè)向變形

顯著,巷道圍巖變形量較大。隨著充填體寬度從1.4 m增加到1.8 m,巷旁充填體提供的支護(hù)阻力大于巷道頂板切斷所需的工作阻力,充填體側(cè)向變形呈現(xiàn)出相對(duì)均勻的情況,巷道圍巖的整體變形有所降低。當(dāng)巷旁充填體的寬度超過(guò)1.4 m時(shí)(即充填體提供的支護(hù)阻力大于巷道頂板切斷所需的最小支護(hù)阻力),巷道圍巖整體變形量的減小程度將不再顯著。此時(shí),從控制巷道圍巖變形角度而言,單純的增加充填體的寬度將不再具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

圖7 不同巷旁支護(hù)體寬度下留巷穩(wěn)定時(shí)圍巖變形圖Fig.7 Surrounding rock deformation of stable gob-side entry retaining under different roadway support widths

2)不同巷旁充填體寬度條件下巷道圍巖應(yīng)力分布特征。如圖8所示,不同巷旁充填體寬度條件下,巷道圍巖應(yīng)力分布特征有所不同。隨著充填體寬度的增加,巷道頂板旋轉(zhuǎn)下沉可以有效地分散在巷旁充填體上方,有助于充填體的結(jié)構(gòu)在留巷過(guò)程中保持相對(duì)穩(wěn)定。然而,當(dāng)充填體寬度增加到可以滿足切頂需要時(shí),過(guò)大的支承壓力并不能有效改善巷道的圍巖應(yīng)力環(huán)境。與之相反,充填體寬度的增加不可避免地增加了充填成本。通過(guò)對(duì)方案1和方案2的系統(tǒng)分析可知,巷旁充填體強(qiáng)度為8 MPa,寬度為1.4 m時(shí),不僅能夠保證支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,而且能使巷道整體圍巖變形處在可控范圍內(nèi)。

圖8 不同巷旁支護(hù)體寬度下留巷穩(wěn)定時(shí)垂直應(yīng)力分布圖Fig.8 Vertical stress distribution of stable gob-side entry retaining under different roadway support widths

3.2.4充填體上方頂板支護(hù)方式

1)不同頂板支護(hù)條件下的巷道變形情況。如圖9所示,當(dāng)充填體頂板上方未采取加強(qiáng)支護(hù)措施時(shí),巷旁充填體提供給頂板的支護(hù)阻力足以切斷上覆巖層,保證了充填體兩側(cè)的均勻變形。當(dāng)在充填體上方采取加強(qiáng)支護(hù)措施后(補(bǔ)打2根直徑為21.6 mm，長(zhǎng)度為6 300 mm的錨索,排距800 mm),充填體兩側(cè)的變形有所減小。造成上述現(xiàn)象的主要原因在于加強(qiáng)支護(hù)措施有效地減少了直接作用在巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)上的垂直應(yīng)力并增加了切頂阻力,有助于充填體的變形控制。

圖9 不同充填體頂板支護(hù)條件下圍巖變形圖Fig.9 Surrounding rock deformation under roof support with different fillings

2)不同頂板支護(hù)條件下的巷道應(yīng)力分布特征。從圖10可以看出,當(dāng)充填體上方采取加強(qiáng)支護(hù)措施后,在巷旁充填體和頂板加強(qiáng)支護(hù)共同作用下,位于充填體上方靠近采空區(qū)側(cè)的頂板更容易被切斷。因此,直接作用在巷旁充填體上的支承壓力相對(duì)較小,有助于巷道圍巖穩(wěn)定控制。不同頂板支護(hù)條件下沿空巷道圍巖變形和應(yīng)力特征的比較表明:在充填體上方頂板采取加強(qiáng)支護(hù)措施有助于沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制。

圖10 不同充填體頂板支護(hù)條件下垂直應(yīng)力分布圖Fig.10 Vertical stress distribution under roof support with different fillings

4 工程實(shí)踐

為保證充填體具有足夠的切頂阻力,高水材料充填體的強(qiáng)度需要達(dá)到8 MPa。通過(guò)查閱不同水灰質(zhì)量比條件下高水材料的單軸抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)特性,參照其他相鄰礦井的成功經(jīng)驗(yàn),最終確定采用1.5的水灰質(zhì)量比進(jìn)行充填。為進(jìn)一步提高沿空留巷的效果,在構(gòu)筑高水材料巷旁充填時(shí),采用圖11所示的輔助加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)措施。在9107工作面后方180 m范圍內(nèi)布設(shè)3排單體液壓支柱,按照排距1 000 mm的方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

(a) 充填體上方頂板加強(qiáng)支護(hù)

(b) 超前支護(hù)段加強(qiáng)支護(hù)圖11 沿空留巷段輔助加強(qiáng)支護(hù)Fig.11 Auxiliary reinforcement support for gob-side entry retaining

在充填工作開始之前,通過(guò)在端頭支架后方補(bǔ)打2根直徑21.6 mm、長(zhǎng)度為6 300 mm的錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。要求錨索垂直巷道頂板布置,排距為800 mm。如圖12所示,為進(jìn)一步提高充填體的結(jié)

構(gòu)穩(wěn)定性,采用鋼筋網(wǎng)和鋼筋梯子梁形制作的加強(qiáng)模板進(jìn)行加固。此外,按照間排距500 mm×750 mm的方式在充填體內(nèi)部設(shè)置對(duì)拉錨桿。

圖12 充填體加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Structure of backfill reinforcement support

沿空留巷的班組成員共計(jì)8人(其中3人負(fù)責(zé)泵、攪拌桶的操作及維護(hù)工作,其他5人負(fù)責(zé)充填點(diǎn)工作),每個(gè)沿空留巷班施工7 m。與傳統(tǒng)的留煤柱護(hù)巷相比,沿空留巷節(jié)約成本2 000元/m。

現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐結(jié)果表明,采用本研究確定充填體參數(shù)并采取加強(qiáng)支護(hù)措施后,巷旁充填體和巷道圍巖整體變形相對(duì)較小,如圖13所示。高水材料充填體通過(guò)鋼筋網(wǎng)的間隔向外鼓出,監(jiān)測(cè)得到的水平方向最大變形為85 mm。

圖13 巷旁充填體留巷期間變形示意圖Fig.13 Deformation of roadside backfill during gob-side entry retaining

圖14為距離工作面不同位置處巷道圍巖變形和充填體變形監(jiān)測(cè)曲線。從圖14可以看出,從工作面后方90 m位置開始,巷道圍巖和巷旁充填體的整體變形趨于穩(wěn)定。其中實(shí)體煤側(cè)最大水平變形為100 mm, 頂?shù)装遄畲笠平繛?70 mm。9107工作面高水材料沿空留巷的成功實(shí)踐為9109工作面的重復(fù)使用提供了保障,取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖14 距離工作面不同位置處巷道圍巖和充填體變形規(guī)律Fig.14 Deformation law of surrounding rock and backfill at different positions from the working face

5 結(jié)論

1)采用理論分析的方法,結(jié)合慈林山煤礦實(shí)際開采條件和地質(zhì)條件,計(jì)算得到9107工作面回風(fēng)順槽最小切頂阻力為8.8 MN/m。

2)借助三維數(shù)值計(jì)算分析軟件和理論分析結(jié)果,參照高水材料力學(xué)特性,確定高水材料水灰質(zhì)量比為1.5,充填體寬×高=1.4 m×1.6 m時(shí)可以保證充填結(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)的相對(duì)穩(wěn)定。

3)采用“對(duì)拉錨桿+豎向梯子梁組合+充填體頂板支護(hù)”的組合形式有效增加了充填體的縱向承載能力,取得了良好的工程實(shí)踐效果。