急傾斜煤層沿空留巷的巷旁充填技術(shù)

秦　濤,　馮俊杰,　馬遠(yuǎn)平,　張凱云

(1.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高等學(xué)校采礦工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022;2.黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團(tuán)有限責(zé)任公司 七臺(tái)河分公司， 黑龍江 七臺(tái)河 154600)

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急傾斜煤層沿空留巷的巷旁充填技術(shù)

秦濤1,馮俊杰2,馬遠(yuǎn)平1,張凱云1

(1.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高等學(xué)校采礦工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022;2.黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團(tuán)有限責(zé)任公司 七臺(tái)河分公司， 黑龍江 七臺(tái)河 154600)

針對(duì)急傾斜煤層沿空留巷巷旁充填技術(shù)難題,分析了新強(qiáng)煤礦巷旁充填材料合理配比及充填體承載特性,利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了巷旁充填體及巷道圍巖變形規(guī)律。結(jié)果表明:試件在一定的充填料配比條件下,隨著水灰比的增加其抗壓強(qiáng)度明顯降低,新強(qiáng)煤礦充填材料水、水泥、沙子、矸石理想配比為1∶2∶4∶4;留設(shè)巷道頂?shù)装宓幕顒?dòng)劇烈程度與距工作面距離相關(guān),導(dǎo)致巷道頂板移近量不同;巷旁充填材料配比強(qiáng)度高于10 MPa,可以滿足新強(qiáng)煤礦巷道圍巖變形及充填體強(qiáng)度要求。

沿空留巷; 充填材料; 巷旁充填

0　引　言

目前,國(guó)內(nèi)外在煤炭資源開(kāi)采中,如何合理規(guī)劃煤炭資源,減少開(kāi)采過(guò)程中煤炭資源的浪費(fèi)與損失,已成為迫切需要解決的問(wèn)題。無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)是減少開(kāi)采過(guò)程中煤炭資源損失,提高煤炭資源采出率的有效途徑。無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)普遍采用的方法為沿空留巷[1],國(guó)內(nèi)外沿空留巷技術(shù)研究主要集中于傾斜、緩傾斜煤層,沿空留巷巷道上覆巖層移動(dòng)規(guī)律、巷道支護(hù)技術(shù)、巷旁充填技術(shù)等,且它們均有較完善的理論研究,并在開(kāi)采實(shí)踐應(yīng)用中取得了大量成功的事例。在眾多技術(shù)中,對(duì)于急傾斜綜采沿空留巷的相關(guān)研究文獻(xiàn)則鮮見(jiàn)。急傾斜綜采面在沿空留巷方面遇到的問(wèn)題具有一定的前沿性,如充填材料配比、急傾斜煤層沿空留巷中充填體與圍巖作用關(guān)系的穩(wěn)定性問(wèn)題,都具有較大的技術(shù)難度[2-3]。筆者針對(duì)急傾斜煤層沿空留巷巷旁充填技術(shù)所亟須解決的問(wèn)題,進(jìn)行相關(guān)理論與工程應(yīng)用的研究。

1　工作面概況

新強(qiáng)煤礦五采區(qū)煤層賦存穩(wěn)定,采高1.6～2.0 m,平均1.8 m,煤層傾角40°～50°,平均傾角45°,煤層走向長(zhǎng)800 m,傾斜長(zhǎng)190 m,煤層可采儲(chǔ)量82.5萬(wàn) t。首采58#層三片,接續(xù)54#層三片、54#層四片、58#層四片。58#煤層頂板巖性為細(xì)砂巖,頂板性質(zhì)為復(fù)合性頂板,有一層偽頂,厚為0.5～1.0 m,左部邊界為FA2斷層,右部邊界為FA1斷層,沿空留巷巷道為58#上三片。工作面構(gòu)造相對(duì)該區(qū)域58#上煤層右二片、右三片盤(pán),掘進(jìn)過(guò)程中,落差不大,對(duì)工作面正常生產(chǎn)有一定的影響,但程度相對(duì)較小。

2　沿空留巷巷旁充填材料實(shí)驗(yàn)

采用混凝土材料作為沿空留巷巷旁充填的首選材料。混凝土充填通過(guò)添加速凝劑等輔助材料,使充填體凝固速度加快,早期強(qiáng)度增大;同時(shí)混凝土充填材料采用的泵送技術(shù)具有輸送距離長(zhǎng)的特點(diǎn),能夠滿足井下長(zhǎng)距離運(yùn)輸。目前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)形成了較成熟的巷旁充填技術(shù)和充填方法。巷旁充填技術(shù)成功應(yīng)用的另一個(gè)主要制約因素是充填成本[4],巷旁充填材料費(fèi)用一般占到巷旁充填總成本的70%～80%。因此,研究充填材料的合理配比,使得巷旁充填體經(jīng)濟(jì)合理,性能優(yōu)良,是巷旁充填技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。文中采用圓柱體試件,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室壓力機(jī)測(cè)試水泥砂漿不同配比條件下膠結(jié)體的單軸壓縮強(qiáng)度,用以分析充填體的物理參數(shù)和支撐能力。試件主要材料選用42.5硅酸鹽水泥和0.35～0.50 mm粒徑的中砂,水泥和中砂的質(zhì)量配比為1∶2。試件分為加入矸石和不加入矸石兩種,試件水灰比分別為3∶5、4∶5、1∶1,分析各試件充填體材料強(qiáng)度的變化以及物理力學(xué)參數(shù)的變化。試件制作配比參數(shù)及所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　試件的物理力學(xué)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知,隨著水灰比的增加,純水泥砂漿試件和矸石試件的抗壓強(qiáng)度明顯降低。如水灰比由3∶5增加到1∶1,試件峰值強(qiáng)度σmax降低近70%。水灰比相同條件下,加入矸石前后試件的峰值強(qiáng)度變化較明顯,如水灰比4∶5條件下,加入矸石后試件的峰值強(qiáng)度增加了約80%。試件強(qiáng)度值的變化隨著水灰比濃度的增加而降低,適當(dāng)增加試件含矸量能使充填體抗壓強(qiáng)度有所增加。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),確定巷旁充填體材料水、水泥、沙子、矸石配比為1∶2∶4∶4。矸石、水泥、砂漿材料作為充填料,以其普遍廉價(jià)的原材料來(lái)源和制作流程可謂是理想的巷旁充填材料。由矸石、水泥、砂漿材料構(gòu)筑的巷旁充填體,具有凝結(jié)速度快,承載能力強(qiáng),良好的塑性變形等優(yōu)點(diǎn),適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。

3　巷旁充填體承載特性

3.1充填體實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定充填材料強(qiáng)度后,可以獲得充填體能承受外載作用的極限。充填體承載與其幾何形狀有關(guān)。在巷旁充填過(guò)程中布置觀測(cè)設(shè)備,用以采集巷旁充填體變形量、充填體內(nèi)應(yīng)力和圍巖變形量數(shù)據(jù),研究充填體充填效果,充填體強(qiáng)度及變形特征[5-6]。觀測(cè)方案如下:

(1)在充填體內(nèi)分別距巷道頂板和巷道底板距離300 mm處預(yù)設(shè)測(cè)量基點(diǎn),沿巖層傾斜方向在巷旁充填體內(nèi)置基點(diǎn)位移計(jì),測(cè)量充填體的變形量,如圖1a所示。

(2)隨著采煤工作面的推進(jìn),巷道頂?shù)装寤顒?dòng)加劇,充填體內(nèi)開(kāi)始承受一定載荷,在巷旁充填體內(nèi)布置鉆孔應(yīng)力計(jì),觀測(cè)巷旁充填體內(nèi)不同位置的應(yīng)力值,應(yīng)力計(jì)布置如圖1b所示。

(3)為有效觀測(cè)巷旁充填效果,在巷道圍巖周邊設(shè)置觀測(cè)基點(diǎn),按一定時(shí)間間隔分段觀測(cè)圍巖變形量,基點(diǎn)布置如圖1c所示。

圖1　基點(diǎn)位移觀測(cè)及應(yīng)力計(jì)布置示意

3.2充填體變形特征

充填體變形量Bc與距工作面距離SG有關(guān)。充填體變形量觀測(cè)結(jié)果,如圖2所示。分析不同階段充填體變形曲線,充填體變形可分為四個(gè)階段:第一,充填體初期構(gòu)筑階段,距離采煤工作面10 m左右,充填體幾乎不發(fā)生變形,充填體初期沒(méi)有主動(dòng)支撐能力;第二,充填體加速變形階段,距離采煤工作面10～50 m,隨著采煤工作面的推進(jìn),巷道頂?shù)装寤顒?dòng)加劇,礦山壓力開(kāi)始顯現(xiàn),巷道頂?shù)装逡平恐饾u加大,巷道頂?shù)装逡平俣容^快,充填體變形較大,充填體大部分變形在該階段完成;第三,充填體穩(wěn)定變形階段,距離采煤工作面50～80 m,巷道頂?shù)装寤顒?dòng)減弱,巷道頂?shù)装逡平孔兓^小,充填體變形量不大,趨于穩(wěn)定;第四,充填體變形穩(wěn)定階段,距離采煤工作面大于80 m范圍,充填體趨于穩(wěn)定,基本不發(fā)生變形?？v向變形量一般不超過(guò)100 mm,橫向變形量一般不超過(guò)70 mm。

圖2　不同階段充填體變形曲線

3.3充填體受力特征

通過(guò)在巷旁充填體內(nèi)安裝鉆孔應(yīng)力計(jì),測(cè)得不同采煤工作面范圍內(nèi)充填體不同位置的承受載荷量,觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3　充填體內(nèi)載荷變化曲線

由圖3可知,留設(shè)巷道頂?shù)装宓幕顒?dòng)劇烈程度與距離工作面距離有關(guān)。充填體內(nèi)載荷FH的變化分為四個(gè)階段:第一,充填體初期承載階段,距離采煤工作面約20 m,由于巷道頂板運(yùn)移量逐漸發(fā)生,巷旁充填體內(nèi)載荷量逐漸產(chǎn)生;第二,充填體荷載穩(wěn)定增加階段,距離采煤工作面20～40 m,該階段巷旁充填體內(nèi)載荷量增加速度最快,巷旁充填體的極限強(qiáng)度大致發(fā)生在距采煤工作面40 m處,極限強(qiáng)度約為6 MPa;第三,充填體荷載逐漸降低,距離采煤工作面40～80 m,充填體承載能力降低荷載減小,充填材料逐漸趨于塑性屈服階段;第四,充填體荷載穩(wěn)定階段,距離采煤工作面大于80 m范圍,巷道頂板運(yùn)移量變化不明顯,充填體內(nèi)荷載趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

4　沿空留巷支護(hù)方式數(shù)值分析

數(shù)值模擬地點(diǎn)為新強(qiáng)煤礦五采區(qū)工作面,井下標(biāo)高-156.83～-190.00 m,工作面走向長(zhǎng)為330.0 m,傾斜長(zhǎng)54.0～60.0 m。煤層厚為1.6～2.0 m,平均為1.8 m,頂板巖性為粉砂巖,左部邊界為FA2斷層,右部邊界為FA1斷層,工作面上巷為二片,下巷為三片。新強(qiáng)礦五采區(qū)45051工作面運(yùn)輸巷道沿煤層頂板掘進(jìn),巷道端面形狀呈梯形。

留設(shè)巷道采空區(qū)側(cè)用充填材料填充,巷旁充填體斷面形狀亦為梯形,充填體靠近巷道側(cè)通過(guò)向頂?shù)装宕蝽數(shù)族^索,防止充填體向巷道側(cè)滑移。針對(duì)巷旁充填體梯形形狀及巷道支護(hù)方式采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行相關(guān)分析。根據(jù)新強(qiáng)礦五采區(qū)工作面實(shí)際地質(zhì)條件,建立數(shù)值模型,尺寸為:長(zhǎng)×寬×高=160 m×150 m×120 m,模型底部模擬開(kāi)采深度為350 m,梯形建模頂部寬設(shè)為2 000 mm,底部寬設(shè)置為4 000 mm,高設(shè)置為1 800 mm,模型共建立煤巖層7層。各巖層強(qiáng)度等參數(shù)按照新強(qiáng)煤礦地質(zhì)報(bào)告及參考常規(guī)砂巖、粉砂巖等參數(shù)賦值,表2為模型巖層參數(shù)。將充填體數(shù)值模型充填材料強(qiáng)度設(shè)置為10 MPa,所得結(jié)果如圖4所示。圖4a為充填體軸向受力,b為充填體的位移矢量,c為充填體塑性分布及位移矢量,d為應(yīng)力及位移等值線示意。

表2　模型材料參數(shù)

在巷旁充填體內(nèi)加入錨栓措施后,充填材料強(qiáng)度設(shè)置為10 MPa,巷道圍巖及充填體自身變形量得到較好的控制。如充填體變形穩(wěn)定后平均寬度變?yōu)? 658 mm,留設(shè)巷道兩幫移近量明顯減小,距離工作面80 m以外處巷道平均寬度為2 387 mm,巷道頂?shù)装迤骄叨燃s為1 756 mm;巷旁充填體自身強(qiáng)度增加且有錨栓聯(lián)合作用,使得巷道圍巖內(nèi)錨桿受力得到一定緩解,其中錨桿最大受力約為17 t,最小受力僅為1.8 t;由圖4b可以看出,充填體向兩側(cè)空間變形移動(dòng)量減小,圍巖巷道變形得到有效控制,留設(shè)巷道能滿足一定斷面要求。

圖4　充填體受力分析

5　結(jié)　論

(1)隨著水灰比的增加,純水泥砂漿試件和矸石試件的抗壓強(qiáng)度明顯降低,適當(dāng)增加試件含矸量可以使充填體強(qiáng)度有所增加。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測(cè)試,確定井下作業(yè)時(shí)充填材料組分水泥、沙子、矸石配比為1∶2∶4∶4。

(2)留設(shè)巷道頂?shù)装宓幕顒?dòng)劇烈程度與SG有關(guān),導(dǎo)致巷道頂板移近量不同,也使充填體變形特征和受力特征呈現(xiàn)不同變化階段。充填體變形特征分為初期構(gòu)筑、加速變形、穩(wěn)定變形和穩(wěn)定四個(gè)階段;充填體受力特征分為初期承載、荷載穩(wěn)定增加、荷載逐漸降低和荷載穩(wěn)定四個(gè)階段。

(3)由新強(qiáng)煤礦沿空留巷充填體支護(hù)方式數(shù)值分析可知,新強(qiáng)煤礦巷旁充填材料配比強(qiáng)度應(yīng)高于10 MPa,梯形充填體幾何參數(shù)分別設(shè)置為上底2 000 mm,下底4 000 mm,高1 800 mm,充填體靠近巷道側(cè)向頂?shù)装宕蝽數(shù)族^索。該結(jié)構(gòu)可以滿足巷道圍巖變形及充填體強(qiáng)度的要求。

[1]王佳喜, 秦濤, 馮俊杰, 等. 混凝土充填材料在沿空留巷巷旁充填中的試驗(yàn)研究[J]. 煤炭技術(shù), 2012， 31(6)： 94-95.

[2]馬立強(qiáng), 張東升. 綜放巷內(nèi)充填原位沿空留巷充填體支護(hù)阻力研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2007(3)： 545-547.

[3]王佳喜, 秦濤, 馮俊杰, 等. 沿空留巷巷旁充填材料的配制[J]. 煤炭技術(shù), 2012， 31(3)： 91-93.

[4]秦濤, 齊宏偉, 劉永立. 桃山煤礦薄煤層群切頂巷區(qū)域應(yīng)力特征數(shù)值分析[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2012， 22(5)： 461-465.

[5]秦濤, 劉永立, 馮俊杰, 等. 急傾斜煤層巷幫變形失穩(wěn)數(shù)值模擬[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2013， 32(5)： 582-586.

[6]孫廣義, 陶凱, 陳剛, 等. 深井回采工作面覆巖運(yùn)動(dòng)及煤體應(yīng)力分布規(guī)律[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2011， 21(5)： 368-372.

(編輯徐巖)

Roadside packing technique with gob-side entry retaining in steep coal seam

QINTao1,FENGJunjie2,MAYuanping1,ZHANGKaiyun1

(1.Key Laboratory of Mining Engineering, College of Heilongjiang Province, Heilongjiang University of Science & Technolog, Harbin 150022, China; 2.Qitaihe Branch, Heilongjiang Longmay Mining Holding Group Co.Ltd., Qitaihe 154600, China)

Aimed at addressing technical problem of roadside packing with gob-side entry retaining in steep coal seam, this paper presents an analysis of the rational proportion of roadside packing materials and the bearing characteristics of packing body by experiments and a simulation of the deformation law of packing body and surrounding rock by FLAC3D.The results show that, with the certain proportion of roadside packing materials, the specimen shows a obviously decreasing compressive strength due to the increase in water cement ratio; that activity degree of the roof and the floor in entry retaining has relation with the distance from the working face, causing the different displacement of the tunnel roof, with the consequent differences in stages of the deformation and load characteristics of packing body; and that roadside packing material with the strength higher than 10 MPa could be up to the deformation of roadway surrounding rock and the strength of filling body in Xinqiang mine. The research could serve as basis for roadside packing with gob-side entry retaining in steep coal seams.

gob-side entry retaining; packing material; roadside packing

2013-05-27

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)項(xiàng)目(12533065)

秦濤(1983-)，男，黑龍江省湯原人，講師，碩士，研究方向：采煤方法與巷道支護(hù)，E-mail:qintao-1983@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.001

TD353

1671-0118(2013)04-0319-05

A