蘇 冉

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

1 工程概況

圖1 10-102綜采工作面與三條空巷位置示意圖

木瓜煤礦為了減少南區(qū)左翼下組煤采區(qū)雙翼布置工作面時(shí)搬家到面的工作量，縮短準(zhǔn)備作業(yè)時(shí)間，由雙翼布置改為單翼布置，以此提升該礦煤炭開采效率，改變工作面的布置方式后導(dǎo)致10-102綜采工作面在回采過程中會(huì)穿過軌道巷、尾巷下料巷、皮帶巷三條巷道，該工作面開采近水平厚煤層，有6m厚的老頂，為深灰色的石灰?guī)r，6.8m厚的直接底，為灰黑色的泥巖。工作面回采至距空巷較近距離時(shí)，超前支承壓力作用在空巷周圍可導(dǎo)致空巷內(nèi)片幫甚至頂板垮落，存在較大安全隱患，擬采取充填措施避免回采過程中空巷發(fā)生變形垮塌的現(xiàn)象。

2 空巷內(nèi)局部充填力學(xué)分析及參數(shù)設(shè)計(jì)

為了在保證安全的前提下，擬采取空巷內(nèi)局部充填的技術(shù)[1-2]減少10-102綜采工作面過空巷產(chǎn)生的費(fèi)用。

2.1 空巷充填力學(xué)分析

建立巷內(nèi)局部充填頂板力學(xué)模型時(shí)，可將空巷圍巖視作一個(gè)彈性損傷體[1-2]?？障飪?nèi)充填有具有一定強(qiáng)度的膏體材料時(shí)，會(huì)提升巷道圍巖的極限承載能力，并限制圍巖在應(yīng)力作用下的形變?？障锏膰鷰r會(huì)在覆巖載荷q的加載作用下，逐步的損傷破壞，當(dāng)加載所產(chǎn)生的位移超過空巷圍巖的極限位移時(shí)，圍巖就會(huì)發(fā)生破壞，其力學(xué)模型如圖2所示。空巷直接頂可以簡(jiǎn)化為厚度為h的兩端彈性嵌簡(jiǎn)支承梁，F(xiàn)y表示該梁所受垂直力，充填體的寬高分別為a、b，力學(xué)模型中不考慮充填的變形，故將充填體的中心視作簡(jiǎn)支端。

圖2 空巷充填頂板力學(xué)模型

2.2 局部充填充填體間距分析

空巷內(nèi)充填體對(duì)頂板產(chǎn)生局部載荷q1的反作用力，平衡方程式1是對(duì)圖2進(jìn)行整體分析所得：

圖3 任意i-i截面彈性嵌簡(jiǎn)支承梁的受力分析

彈性嵌簡(jiǎn)支承梁任意i-i截面的受力分析如圖3所示，F(xiàn)i表示力，Mi為彎矩，彎矩和力的平衡方程如下式所示：

通過式2可進(jìn)一步得到該梁i-i截面上彎矩的計(jì)算公式：

假設(shè)該簡(jiǎn)支撐梁僅發(fā)生彎曲變形，該梁上任意i-i截面所受正應(yīng)力由式4可得：

式中：σd表示該梁所受正應(yīng)力；Mi是由式3計(jì)算得到該梁i-i截面上的彎矩；y表示該兩端彈性嵌簡(jiǎn)支承梁上任一點(diǎn)與中性軸之間的距離；I表示對(duì)中性軸的慣性矩。

將式3代入式4即可推導(dǎo)出σd的計(jì)算公式：

空巷頂板巖層中，下方巖層受拉，上方巖層受壓，二者界限為頂板巖層中的中性軸，當(dāng)空巷充填體上方頂板產(chǎn)生拉破壞的深度恰好等于空巷頂板最大錨固范圍時(shí)，空巷頂板便不會(huì)發(fā)生垮塌，故通過式6可以計(jì)算出空巷局部充填時(shí)的最大間距。

式中：h0表示工作面所過空巷支護(hù)體系中頂板錨固區(qū)的深度。要得到空巷局部充填時(shí)的最大間距，聯(lián)立式5和式6即可式7：

由式7計(jì)算得到a=-8m和12.1m，由于充填體的寬度為正數(shù)，故得到合理的空巷局部充填時(shí)的最大間距為12.1m。

因此，在木瓜煤礦10-102綜采工作面采用局部充填技術(shù)過空巷時(shí)，使充填體間距不大于12.1m可保證空巷頂板產(chǎn)生拉破壞的深度小于其頂板中最大錨固范圍，兩塊充填體之間最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)域?yàn)槌涮铙w之間頂板中部，并且此時(shí)兩塊充填體之間最大拉應(yīng)力小于煤層直接頂?shù)淖畲罂估瓘?qiáng)度，故巷道頂板不會(huì)發(fā)生垮落破斷。

3 空巷內(nèi)局部充填體參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 模型建立

圖4 三種充填體長(zhǎng)度的局部充填方案

理論計(jì)算所得能保證空巷穩(wěn)定的充填體最大間距為12.1m，但是考慮到實(shí)際工程應(yīng)用中需留有一定的安全系數(shù)[3]，故最終確定實(shí)際工程應(yīng)用中空巷內(nèi)充填體的最大間距應(yīng)為8m。充填體自身的長(zhǎng)度對(duì)其強(qiáng)度由一定影響，現(xiàn)確定充填體強(qiáng)度為3MPa，設(shè)計(jì)充填體長(zhǎng)度為6m、8m、10m，間距均為8m的三種方案，如圖4所示?；?0-102工作面具體地質(zhì)條件，運(yùn)用FLAC3D軟件建立四周限制位移、設(shè)置巷道圍巖承數(shù)值為1的側(cè)壓系數(shù)和11MPa的覆巖載荷，長(zhǎng)310m、高50m、寬220m，共1344500個(gè)網(wǎng)格的數(shù)值模型[4]來研究不同充填體長(zhǎng)度對(duì)空巷的穩(wěn)定性的影響。

3.2 分析不同充填體長(zhǎng)度對(duì)過空巷時(shí)頂板下沉量的影響

空巷的存在會(huì)導(dǎo)致10-102綜采工作面回采至距離空巷較近距離時(shí)，由于支承壓力的異常，空巷周圍塑性區(qū)擴(kuò)展，可能導(dǎo)致空巷支護(hù)體系失效，從而使較大的壓力直接作用于工作面頂板，因此可以通過分析過空巷時(shí)不同充填體長(zhǎng)度下工作面頂板下沉情況得到合理的充填體長(zhǎng)度，圖5所示為距空巷10m時(shí)不同充填體長(zhǎng)度下工作面頂板下沉量模擬所得曲線。

圖5 距空巷10m時(shí)不同充填體長(zhǎng)度下工作面頂板下沉量

觀察圖5可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)空巷內(nèi)充填體間距均為8m，10-102工作面回采至距空巷10m的條件下：充填體長(zhǎng)度為6m時(shí)，工作面頂板下沉速率較快，頂板下沉量為320mm；充填體長(zhǎng)度為8m時(shí)，工作面頂板下沉速率明顯低于6m充填體下頂板的下沉速率，并且頂板下沉量?jī)H為142mm，較6m充填體下降55.6%；充填體長(zhǎng)度為10m時(shí)，工作面頂板下沉速率較8m充填體下頂板的下沉速率并無較大變化，并且頂板下沉量為130mm。通過分析發(fā)現(xiàn)8m長(zhǎng)的充填體可以滿足工作面回采過程中頂板下沉量控制在允許范圍內(nèi)，且10m長(zhǎng)充填體并沒有產(chǎn)生更大的支撐效果，故最終確定空巷內(nèi)充填體長(zhǎng)度為8m、間距為8m時(shí)，可以滿足工作面過空巷的要求。

3.3 應(yīng)用效果分析

現(xiàn)場(chǎng)在空巷內(nèi)應(yīng)用充填體長(zhǎng)度為8m、間距為8m的充填參數(shù)進(jìn)行施工后，10-102綜采工作面面正常推進(jìn)，在工作面液壓支架中上、中、下3個(gè)區(qū)域各安裝3個(gè)YHY-604型液壓支架測(cè)力儀分析10-102工作面距空巷一定距離時(shí)、通過空巷時(shí)及通過空巷后液壓支架的受力情況，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 10-102工作面過空巷時(shí)液壓支架受力的變化情況

通過表1可以看出:10-102綜采工作面從距空巷40m至距空巷10m過程中，整個(gè)工作面支架受力均勻，隨著工作面逐漸推至空巷，液壓支架的受力逐漸升高，但均未達(dá)到安全閥開啟的限度。工作面回采至空巷時(shí)，平均支架壓力為32.6MPa，較距空巷40m時(shí)的平均支架壓力上升9.7%，且過空巷過程中并沒有安全閥開啟，工作面推過空巷后，支架的平均壓力下降至與過空巷前基本相同，工作面順利安全的通過空巷。

4 結(jié)論

本文對(duì)空巷充填時(shí)頂板力學(xué)模型進(jìn)行分析，通過計(jì)算確定了局部充填時(shí)8m的充填體間距，進(jìn)一步運(yùn)用FLAC3D軟件建立工作面過局部充填巷道模型來研究不同充填體長(zhǎng)度對(duì)空巷的穩(wěn)定性的影響，得出合理的充填體長(zhǎng)度應(yīng)為8m?，F(xiàn)場(chǎng)空巷內(nèi)按充填體長(zhǎng)度8m、間距8m的參數(shù)進(jìn)行施工后分析工作面過空巷時(shí)液壓支架的受力情況，可發(fā)現(xiàn)工作面推至空巷時(shí)平均支架壓力較距空巷40m時(shí)上升9.7%，且過空巷過程中并沒有安全閥開啟，該施工參數(shù)可保證工作面順利安全的通過空巷。