龔鵬，馬占國，劉飛，胡俊，蘇陽

(中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

綜采矸石充填沿空留巷頂板—巷旁支護協(xié)調穩(wěn)定性研究

龔鵬，馬占國，劉飛，胡俊，蘇陽

(中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

本文針對深部高應力大采高工作面的沿空留巷難題，利用數值模擬的手段，分析了綜采矸石充填沿空留巷圍巖的受力變形特征，進一步研究了頂板和巷旁支護結構協(xié)調穩(wěn)定性問題.結果表明：在充填區(qū)矸石的支撐作用下，頂板產生給定變形；通過在巷旁支護結構與頂板之間預留空間并用弱質材料充填的方法，可達到利用巷旁支護結構與頂板下沉的協(xié)調性來保證巷幫和頂板的穩(wěn)定性的目的；避免了傳統(tǒng)沿空留巷技術由切頂和支撐所造成的在巷旁支護結構上應力集中系數過大的問題，保證了深部大采高沿空留巷技術的成功.

綜采；矸石充填；沿空留巷；協(xié)調穩(wěn)定性

引言

沿空留巷技術作為實現(xiàn)無煤柱開采的有效途徑，不僅能夠極大提高煤炭資源回收率，而且具有優(yōu)化工作面通風方式、降低回采巷道掘進量、提高采掘比、緩解工作面接續(xù)緊張等優(yōu)勢[1].目前，世界范圍內的很多學者對沿空留巷技術的探索主要是基于垮落法管理頂板的開采條件，專注于覆巖結構優(yōu)化、巷旁維護方式、巷旁支護阻力、巷內加強支護參數設計等方面[2～4].現(xiàn)階段沿空留巷工程監(jiān)測結果可以看出，在采用垮落法管理頂板時，隨著工作面推進，巷道上部巖層出現(xiàn)向采空區(qū)的旋轉變形，引起砌筑支護體的支撐力升高.當巷道內部的加強支護措施和巷旁支護體的早期強度能夠提供足夠的支護阻力時，頂板關鍵巖層在巷旁支護體邊緣附近達到彎矩極限，留巷上部關鍵巖塊沿巷旁砌筑墻體的外側切落[5,6].切落基本頂可以降低頂板在采空區(qū)側的懸臂，減小頂板作用在巷旁砌筑墻體上的附加載荷，從而達到降低巷道應力集中程度和沖擊危險性的目的.因此，將懸露頂板沿巷旁支護體外側安全切落對垮落法管理頂板的沿空留巷工程的成功至關重要.為此，很多學者在提高巷旁支護體的材料強度、優(yōu)化巷內支護參數和人工干預切頂等領域做了大量研究[7]，取得了積極的成果，已經基本解決了薄及中厚煤層條件下的沿空留巷問題.但是對深部高應力多項復雜地質條件下的大采高工作面沿空留巷技術的研究甚少，至今仍是限制沿空留巷技術發(fā)展的難題.

近年來矸石回填開采技術取得了長足的進步，矸石充填綜采以頂板破壞程度輕、周期來壓不明顯、巷道壓力較小等特點為深部厚煤層的條件下進行沿空留巷作業(yè)提供了必要條件[8,9].同時，在采空區(qū)充填矸石對頂板的支撐作用下，巷旁支護與頂板結構的協(xié)調性對于控制頂板下沉和維護巷旁支護完整性至關重要.針對這一問題，本文開展了巷旁支護參數對綜采矸石充填沿空留巷頂板-巷旁支護協(xié)調穩(wěn)定性影響研究.

1 數值計算方案

1.1 生產地質條件

試驗礦井地面標高+32.93～+33.08m，井下標高-642～-636m，煤層走向近EW,南傾；真傾角0°～3°；北高南低的單斜構造.預計煤巖層在掘進方向角度為0°～3°.主采3下煤，硬度系數f=1～2，厚3.08～4.10 m，平均3.5 m，走向近EW，傾向S，傾角0°～3°.3下煤底板為泥巖，3下煤頂板為粉砂巖；泥巖、粉砂巖硬度系數f=4～6，3下煤層二氧化碳相對涌出量為0.417 m3/t，瓦斯相對涌出量為0.25 m3/t，煤塵爆炸指數為41.15%，煤層自燃發(fā)火期為3～6個月.

1.2 數值計算模型設計

本次模擬建立的模型為150 m×48m×54.6m，垂直于x軸的界面限制x方向位移，垂直于y軸的界面限制y方向位移，垂直于z軸的界面，上表面自由，下表面限制z方向位移，煤層厚度為3.6 m(11 m～14.6 m)，0～9 m為細砂巖，9～11 m為泥巖，14.6～34.6 m為中砂巖，34.6～54.6 m為粉砂巖，將巖體、煤層及充填區(qū)近似為均質、連續(xù)、各向同性的介質；僅考慮自重應力，忽略構造應力的影響；選用庫侖-摩爾模型，具體屬性如表1所示：

表1 各層巖體屬性

邊界條件：

1)模型水平方向施加位移約束.

2)模型底部邊界施加垂直位移約束.

3)模型底部施加上覆巖層的自重應力.

模型頂端施加上覆巖層的等效載荷，即覆巖自重應力.載荷σy按下式得到：

σy=γH

(1)

式中：γ—上覆巖層的平均容重，25kN/m；H—模型頂界距地表的深度，m.

對煤層及煤層上下巖土均進行了網格加密，巷道寬4 m，高3.6 m，巷道附近網格劃分為0.4 m×0.8m×0.2m，建立模型網格如圖1所示：

(a)整體網格劃分 (b)巷道附近網格加密圖1 模型網格劃分

巷內基本支護如圖2所示，xz面內錨桿間距為0.8 m，幫頂部位置錨桿傾角為20°，兩幫中距底板0.8 m處錨桿向z軸負向傾角為20°，頂板處設有錨索支護，沿y軸方向間距為1.6 m.

圖2 巷內基本支護設計

在沿空留巷的實踐中，巷旁支護墻體內部應力和產生的變形是留巷成功與否的關鍵，同時還要考慮巷道圍巖及頂板穩(wěn)定性.本文主要考慮懸頂距離e(即巷旁支護與采空一側巷道頂板之間的距離)對巷旁支護穩(wěn)定性的影響，分別取e等于0，200，400，600 mm，研究不同懸頂距離條件下，巷旁支護和頂板的協(xié)調變形規(guī)律和應力分布特征.同時，在巷旁支護墻體與頂板之間的懸頂空間中填充弱質材料A，起到隔離采空區(qū)的作用.數值模擬的過程主要分三個階段:第一階段為網格劃分，初始平衡計算；第二階段為開挖巷道，設置錨桿支護；第三階段為綜采過程：包括煤層開挖與構筑矸石混凝土墻體，y方向48 m分六步開挖，每步8 m，模型在x方向共150 m，巷道沿x方向布置在88 m到92 m范圍內，右側(92 m～150 m)為巷旁充填體和矸石充填區(qū)，左側(0～88 m)為實體煤.

2 數值計算結果分析

由于混凝土墻體相對于矸石充填區(qū)而言，剛度很大，可變形量很小，若e過小，會導致混凝土墻在應力重新分布之后，處于高應力區(qū)，承受垂直方向應力過大，超出試驗所得到的矸石混凝土抗壓強度，導致巷旁砌筑墻體的破壞；e過大會導致巷旁充填體無法有效接頂，在側壓力的作用下易發(fā)生整體失穩(wěn)；因此，合理的懸頂距離對于巷旁支護體與頂板的協(xié)調穩(wěn)定性具有至關重要的作用.本次模擬設計了e等于0，200，400，600mm四種方案，進行對比分析.數值模擬結果如圖5所示：

圖3 巷道圍巖水平應力云圖

圖6 巷道圍巖垂直位移云圖

由圖4可以看出懸頂距離e對巷旁砌筑墻體內垂直應力的影響很大，圖7所示為巷旁砌筑墻體內最大垂直應力隨懸頂距離e的變化曲線.

圖7 巷旁支護體內最大垂直應力隨e的變化曲線

由圖7可以看出e在0到200 mm間變化的過程中，垂直應力的變化較為明顯.在e=0時，豎直方向應力最大值達到了29 MPa,遠遠超過了由試驗得到的矸石混凝土的抗壓強度，在e=200 mm時，墻體所受的z方向最大應力降到了12 MPa，在矸石混凝土的抗壓范圍內，在e從200 mm到600 mm變化的過程中，豎直方向最大應力逐漸減小，但曲線變化較為平緩.主要因為與采空區(qū)充填矸石相比，巷旁砌筑墻體的剛度較大，當e小于200 mm時，頂板載荷主要由墻體承擔，在巷旁支護-頂板-充填區(qū)三者變形不協(xié)調，導致墻體處于高應力區(qū)，載荷超過矸石混凝土的抗壓強度.而當e大于200 mm時，矸石充填區(qū)的應力大于墻體，在墻體上方與頂板的距離e這段空隙中充填入一種彈性模量較小，可變形量較大的一種低強度大變形的材料，主要是為了一方面防止自燃起火，另一方面可以通過這種低強度的材料來吸收頂板變形，達到對巷旁砌筑墻體讓壓的效果，能夠充分發(fā)揮采空區(qū)充填矸石的承載能力，從而改善了巷旁支護的維護效果.

圖8為不同懸頂距離情況下巷旁砌筑墻體的水平方向位移對比曲線.由以上分析可以認為e=0為不可行的方案，所以未將e=0時的情況列入圖表中.

由圖8中曲線可以看出在曲線右端，即巷旁充填體的頂部，水平位移均有不同程度的跳躍，但e=200 mm與其他兩條曲線相比明顯更為平緩，其形成原因：由于巷旁支護與頂板之間的空間使用的充填材料A與頂板和墻體間的摩擦角一定，取沿巷道方向單位長度考慮，由于材料A在豎直方向應力基本相同(實際上有隨e增大而減小的趨勢)，所以為避免其發(fā)生側滑，在水平方向承受的水平推力也基本相同(實際上有隨e增大而減小的趨勢)，由水平應力云圖可以得知幾種情況下水平應力也相差不大，影響墻體上部充填材料A的穩(wěn)定性因素只有水平推力的作用面積，即e的大小，水平推力隨e的增大而增大.在圖8的e=400 mm和e=600 mm情況下，從巷旁支護上部弱質填充材料的位移突變可以看出，其水平方向的抗滑移穩(wěn)定性明顯較低.綜合以上分析得出e取200 mm較為合理.

圖8 墻體的水平方向位移

3 結論

本文通過數值模擬的方法，分析了綜采矸石充填沿空留巷的圍巖及頂板的受力變形特征，得出了以下結論：

1)當懸頂距離小于200 mm時，混凝土墻的豎直方向應力隨該距離e的減小而明顯增大，當e大于200 mm時，這種變化趨勢并不明顯，且巷旁支護墻體的豎直方向載荷處在矸石混凝土材料的抗壓強度的范圍內.由此可見，在充填區(qū)矸石的支撐作用下，頂板產生給定變形，可利用巷旁支護結構與頂板下沉的協(xié)調性來保證巷幫和頂板的穩(wěn)定性，從而避免了傳統(tǒng)沿空留巷技術由切頂和支撐所造成的在巷旁支護結構上應力集中系數過大的問題，保證了深部大采高沿空留巷技術的成功.

2)為了有效隔離采空區(qū)，同時有效吸收頂板變形，維護巷旁支護體的整體穩(wěn)定性，需在巷旁支護墻體上方填充弱質材料，當e大于200 mm時，填充物的側向位移較大.

3)從巷旁支護的載荷大小和懸頂空間內的充填物穩(wěn)定性兩方面考慮，選取懸頂距離e=200 mm可以保證巷旁支護與頂板結構的協(xié)調穩(wěn)定性.

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Coordinated Stability Study on Roof-roadside Support of Gob-side Entry Retaining in Fully-mechanized Gangue Backfilling Mining

GONG Peng, MA Zhan-guo, LIU Fei, HU Jun, SU Yang

(State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering,China University of Mining & Technology, Xuzhou Jiangsu 221116, China)

Aiming at the high stress in deep mining workface gob, using the method of numerical simulation, the paper analyzes the coal gangue filling gob deformation characteristics and makes further study on the roof and roadway support structure coordination stability. The results show that the deformation of the roof is given under the support of the gangue in the filling area; that reserving space and weak material filling between the roof and roadway support structure can ensure the stability of roadway and roof using the coordination of roadway support structure and roof subsidence; that the study avoids the problem of excessive stress concentration factor caused by roof cutting and supporting and ensures the success of deep gob side entry retaining technology.

fully mechanized mining; gangue filling; gob side entry retaining; coordination stability

1673-2103(2017)02-0053-06

2017-01-05

國家自然科學基金項目(51323004，51674250，51074163)；國家自然科學基金重點項目(50834005)；江蘇省“六大人才高峰”高層次人才計劃；江蘇省研究生創(chuàng)新基金項目(CXZZ13_0924)；深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室開放基金(SKLGDUEK1409)

龔鵬(1988-)，男，山東棗莊人，博士研究生，研究方向：采動巖體力學與工程.

TD

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