馬清水，孫萬明

(1.神木隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719300；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；4.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013)

充填假頂在煤礦、金屬礦工程中均有應(yīng)用[1，2]。在金屬礦山領(lǐng)域，大規(guī)模嗣后充填開采過程中，事先構(gòu)筑充填體假頂，采場不留頂?shù)字?，充填體假頂在懸空條件下發(fā)揮承載作用，防止上部充填體與圍巖垮塌，研究的重點(diǎn)多是對充填體假頂?shù)某叽?、?qiáng)度及穩(wěn)定性的分析和研究[3-6]；在煤礦領(lǐng)域，在井巷掘進(jìn)、采煤作業(yè)過程中，受地質(zhì)構(gòu)造、采動等影響，頂板常遇到破碎、冒頂?shù)炔焕麠l件，除了采用人工架設(shè)假頂?shù)姆椒ㄍ?，有些礦井采用了頂板注漿再造假頂?shù)姆绞骄S護(hù)頂板，研究重點(diǎn)為注漿材料、強(qiáng)度及工藝等[7-9]。

煤礦為提高資源回收率，提高礦井經(jīng)濟(jì)效益，計(jì)劃將206工作面回風(fēng)巷進(jìn)行臥底，臥底量2.0m，同時在原巷道頂板支護(hù)體下方構(gòu)筑1.5m厚的充填體作為假頂以滿足生產(chǎn)對巷道尺寸的需要。與煤礦維護(hù)頂板的假頂不同，該假頂是為了滿足巷道尺寸而特意設(shè)置，假頂?shù)膹?qiáng)度設(shè)計(jì)及充填工藝均與一般的假頂有所區(qū)別。

針對工作面巷道頂板條件、回風(fēng)巷支護(hù)強(qiáng)度、礦井工作面巷道圍巖變形實(shí)測規(guī)律，結(jié)合錨桿(索)支護(hù)強(qiáng)度理論[10，11]、材料力學(xué)對假頂強(qiáng)度進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并結(jié)合礦井周邊原材料情況，研究確定了充填材料及工藝。

1 巷道概況

206工作面所采煤層傾角為0°～6°，平均3°，煤厚13.6～20.2m，平均厚18.3m，地面標(biāo)高+853～+1073m，回采巷道底板標(biāo)高為+364.4～+407.4m，煤層埋深491.0～690.0m，平均埋深590.5m。

1.1 煤層頂?shù)装逄卣?/h3>

老頂：砂泥巖互層，厚度：3.52～33.53m，平均厚度18.52m。巖性特征：砂泥巖互層：以灰黑色砂質(zhì)泥巖為主，夾薄層淺灰色細(xì)砂巖，呈互層狀，水平～波狀層理。

直接頂：主要巖層以砂質(zhì)泥巖為主，厚度：1.37～1.54m，平均厚度1.45m。巖性特征：灰黑色，含植物葉部化石，具水平～緩波狀層理，含砂量在20%左右。

直接底：泥巖，厚度：0.95～2.75m，平均厚度1.85m，巖性特征：深灰色，具水平層理，含黃鐵礦薄膜。

老底：砂質(zhì)泥巖，厚度：17.4～19.18m，平均厚度：18.33m。砂質(zhì)泥巖：褐灰色，以粘土成分為主，含砂量在30%左右，具豆?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

1.2 回風(fēng)巷臥底充填前斷面及支護(hù)參數(shù)

206工作面回風(fēng)巷長2230m。凈寬5m，凈高3.5m，凈面積為17.5m2。

回風(fēng)巷支護(hù)材料及參數(shù)：①頂板支護(hù)采用錨桿壓鋼帶網(wǎng)支護(hù)，錨桿采用?18mm×3100mm無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間排距900mm×800mm，每排錨桿為6棵，每孔用K2350錨固劑三卷，頂網(wǎng)采用塑編網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為5400mm×1000mm；②兩幫支護(hù)：采用錨桿壓鋼帶網(wǎng)支護(hù)，兩幫錨桿采用?18×2100mm無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間排距1000mm×800mm。兩幫每側(cè)每排布置4棵錨桿，每棵錨桿采用K2350樹脂錨固劑兩卷錨固。兩幫采用雙向拉伸塑料網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為3600mm×1000mm。網(wǎng)片每隔300mm用10#鐵絲連接牢固；③頂板錨索支護(hù)：錨索布置三路，錨索間距1600mm，前后梁端頭間距900mm。錨索采用?17.8mm的預(yù)應(yīng)力鍍鋅鋼絞線切制而成，長度6500mm，孔深6300mm，每孔裝入K2350樹脂錨固劑三卷。錨索梁采用高凸梯形鋼帶，錨索梁長度為2300mm，一梁兩孔，孔中心距為1600mm。

2 充填體假頂強(qiáng)度設(shè)計(jì)

回風(fēng)巷臥底及充填假頂尺寸如圖1所示?；仫L(fēng)巷長度2230m，臥底深度2.0m，充填假頂高度1.5m，超前支護(hù)方式為單體支柱。

圖1 回風(fēng)巷充填體假頂及支護(hù)

以充填方式形成假頂后，要對新形成的假頂進(jìn)行支護(hù)。采用錨桿壓鋼帶網(wǎng)支護(hù)，錨桿采用?18mm×2400mm無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間排距1000mm×1000mm，每排錨桿為4棵，每孔用K2350錨固劑兩卷，如圖2所示?，F(xiàn)場經(jīng)錨桿拉拔試驗(yàn)，未出現(xiàn)拔出現(xiàn)象，按照錨桿懸吊充填體自重并考慮2倍安全系數(shù)校核錨桿強(qiáng)度滿足支護(hù)要求。

巷道充填體假頂從支護(hù)完成至工作面回采結(jié)束的整個過程，主要承受的荷載有：①巷道頂板支護(hù)荷載，主要為錨桿拉力通過托盤對充填體造成的壓力；②回采過程中工作面超前支護(hù)荷載；③工作面端頭支架支撐力；④巷道圍巖變形引起的附加荷載，充填體假頂強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)滿足充填體在上述不同荷載作用下不會發(fā)生破壞的要求，并以其中荷載作用下充填體內(nèi)部應(yīng)力最大值作為充填體強(qiáng)度的下限值。

2.1 錨桿支護(hù)荷載分析

支護(hù)充填體的錨桿主要承受充填體假頂?shù)淖灾?初錨力以安全系數(shù)考慮)，以此分析錨桿拉力對充填體假頂在托盤處形成的壓力。

結(jié)合錨桿支護(hù)懸吊理論，計(jì)算錨桿懸吊充填體假頂重量為：

G=9.8kBaγcHc/n=73.5kN

式中，k為安全系數(shù)，取2；B為支護(hù)頂板寬度，即巷寬，5m；a為錨桿排距，1.0m；γc為充填體密度，取2000kg/m3；Hc為充填體厚度，1.5m；n為每排錨桿數(shù)量，4。

按照錨桿托盤15cm×15cm的規(guī)格計(jì)算錨桿拉力對充填體產(chǎn)生的壓力為：

73.5×1000/(0.15×0.15)=3.3MPa

根據(jù)錨桿支護(hù)荷載分析結(jié)果，回風(fēng)巷充填體假頂強(qiáng)度應(yīng)不低于3.3MPa。

2.2 回風(fēng)巷超前支護(hù)荷載

回風(fēng)巷超前支護(hù)采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁支護(hù)，超前50m范圍內(nèi)采用四排單體支柱按間距0.8m布置，共250棵。

對工作面超前50m的頂板壓力進(jìn)行估算：

G=50KBHγy×9.8=61250kN

式中，G為頂板巖層重力，kN；K為最大來壓系數(shù)，取 2；H為垮落頂板厚度，5m；γy為巖體密度，取2500kg/m3。

工作面前50m充填體自重為：

Gc=50BcHcγc×9.8=7350kN

式中，Gc為充填體自重，kN；Bc為充填體寬度，m。

根據(jù)巷道頂板及充填體假頂自重荷載大小，計(jì)算得到平均每棵超前單體支柱的工作阻力為：

M=(G+Gc)/250=(61250+7350)/250=274.4kN

式中，M為支柱支護(hù)工作阻力，kN。

以鉸接頂梁與充填體接觸面積計(jì)算兩者間的接觸強(qiáng)度為：

σ1=M/(1000BjN)=3.4MPa

式中，Bj為頂梁寬度，m；N為單體支柱間距，m。

2.3 工作面端頭支架支撐力

根據(jù)工作面作業(yè)規(guī)程等資料，端頭支架支護(hù)強(qiáng)度在0.847～1.31MPa范圍內(nèi)，因此，從端頭支架支護(hù)強(qiáng)度角度考慮，充填體強(qiáng)度應(yīng)不低于1.31MPa。

2.4 巷道圍巖變形引起的附加荷載

回風(fēng)巷充填體假頂形成以后，在工作面超前影響范圍內(nèi)的巷道均將發(fā)生一定幅度的圍巖變形，而在工作面超前影響范圍以外的巷道所受影響很小。

由礦井其他工作面巷道收斂量觀測數(shù)據(jù)可知，工作面超前影響范圍一般為47～75m，工作面推過前后頂板下沉速度較快，下沉量也較大，實(shí)測頂板最大下沉量為220mm。

從材料力學(xué)角度分析，將超前影響范圍內(nèi)的充填體假頂看作一端固支的懸臂梁，頂板對充填體的荷載簡化為均布荷載，梁兩端的相對位移為實(shí)測頂板下沉量，如圖2所示。

圖2 頂板壓力作用下充填體假頂受力變形

根據(jù)材料力學(xué)，在懸臂梁兩端相對位移已知條件下，將計(jì)算條件簡化后反算推演，得到充填體內(nèi)部最大拉應(yīng)力計(jì)算式如下：

式中，E為充填體彈性模量，MPa；H為充填體厚度，取1.5m；w為充填體撓度，m；l為充填體計(jì)算長度，m。

根據(jù)風(fēng)積砂似膏體膠結(jié)充填體力學(xué)性能指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)充填體單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)4～6MPa范圍時，彈性模量達(dá)1.0～1.7GPa，計(jì)算取1.7GPa。

根據(jù)實(shí)測巷道收斂量數(shù)據(jù)，選取最不利的情況，即超前影響47m、頂板累計(jì)下沉220mm，分析充填體內(nèi)部應(yīng)力。

依上式計(jì)算得到回風(fēng)巷圍巖變形引起的充填體內(nèi)部最大拉應(yīng)力為0.51MPa。

綜合以上四種不同荷載條件下充填體假頂?shù)氖芰Ψ治鼋Y(jié)果可確定，回風(fēng)巷充填體假頂抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)3.4MPa以上，抗拉強(qiáng)度應(yīng)達(dá)0.51MPa。考慮一定的安全系數(shù)，充填體假頂?shù)脑O(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為6.0MPa、0.8MPa。

3 假頂充填工藝

3.1 充填材料及系統(tǒng)

充填體假頂主要由鋼筋骨架和充填材料組成。經(jīng)對礦井周邊充填原材料情況的初步調(diào)研以及結(jié)合煤礦常用充填材料及工藝[12-16]，初步確定以河砂、粉煤灰、水泥、外加劑和水作為原材料制備巷道假頂?shù)某涮畈牧?，固料質(zhì)量濃度在70%～75%之間，固料中：粉煤灰占35%，水泥(一般為325水泥)占10%，河砂占50%，速凝劑等添加劑占5%。將以上幾種原材料按照上述配比混合攪拌，形成一種膏狀漿體材料，再通過充填泵和管路把漿體輸送到巷道頂板待充填單元。充填單元是由頂板、煤壁和特殊的密封材料隔離形成的封閉充填空間。整個充填系統(tǒng)全部布置于井下，充填系統(tǒng)的主要由充填材料儲存、攪拌設(shè)備和泵送、管路系統(tǒng)組成。

3.2 充填空間構(gòu)成及密封方式

充填空間主要由腳手架、模板、彈性密封墊等搭接構(gòu)成密封空間，如圖3所示。其中，腳手架支撐模板及充填材料重量，密封墊用于填充模板與煤壁掏槽間的空隙和模板搭接縫隙。

圖3 充填空間及密封方式

密封工作的難點(diǎn)主要在于模板與兩側(cè)煤壁間的間隙，由于煤壁表面平整度較差，與模板結(jié)合后的縫隙較大。為此，可通過在兩幫沿模板水平位置掏槽，將模板外邊緣包裹密封材料后插入掏槽內(nèi)，以此實(shí)現(xiàn)該位置的密封。

3.3 充填施工工藝

充填施工應(yīng)分段按步距施工，施工順序應(yīng)從切眼開始由內(nèi)向外后退式進(jìn)行。根據(jù)充填材料流動性、結(jié)實(shí)率、充填效率等，初步將充填步距確定為10m，根據(jù)實(shí)際施工效果可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。具體的施工工藝過程為：①支設(shè)密閉空間，依次進(jìn)行安裝腳手架、安裝鋼筋網(wǎng)、支設(shè)模板；②密封處理，在兩側(cè)煤壁分別沿底面模板位置水平方向和當(dāng)前步距端頭模板位置豎直方向進(jìn)行掏槽，對掏槽位置模板與煤壁之間、模板搭接縫隙用彈性密封墊進(jìn)行密封；③充填材料制備、輸送、充填，根據(jù)巷道寬度、充填高度和充填步距估算充填材料方量，按照材料配比制備充填材料，并通過注漿泵和管路將材料注入頂板充填空間內(nèi)；④充填體凝固；⑤頂板支護(hù)、拆模、拆除腳手架。每步距的充填工藝循環(huán)如圖4所示。

圖4 充填工藝

前一步距“充填體凝固”時，可進(jìn)行下一步距“支設(shè)密閉空間”工序。相鄰步距的鋼筋網(wǎng)及充填體應(yīng)做好搭接，以保證充填體假頂?shù)倪B續(xù)性和完整性。

4 經(jīng)濟(jì)效益初步分析

從資源回收量、充填成本、臥底及支護(hù)成本等方面分析回風(fēng)巷臥底充填工程的經(jīng)濟(jì)效益。

回風(fēng)巷寬5.0m，長2230m，臥底深度2.0m，充填假頂高度1.5m，整條巷道臥底出煤量約2.9萬t，噸煤單價取400元/t；充填材料成本根據(jù)材料用量和單價計(jì)算，根據(jù)材料配比和以往充填材料成本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，充填材料成本取100元/m3，充填設(shè)備折舊、人工、電費(fèi)等費(fèi)用取20元/m3，則假頂充填成本為120元/m3，巷道假頂充填材料量為1.67萬m3；臥底出煤成本取100元/t；假頂支護(hù)成本主要為每米巷道4根錨桿的材料和施工費(fèi)用，取350元/m?；谝陨蠑?shù)據(jù)計(jì)算得到回風(fēng)巷臥底、充填假頂工程可實(shí)現(xiàn)利潤約592萬元，單位進(jìn)尺的利潤約2655元/m。

5 結(jié) 論

1)從巷道充填體假頂承受的錨桿(索)支護(hù)荷載、超前單體支柱支護(hù)荷載、工作面端頭支架支護(hù)強(qiáng)度、巷道圍巖變形引起的附加荷載綜合分析，充填體假頂設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為6.6MPa、抗拉強(qiáng)度為0.8MPa。

2)結(jié)合煤礦常用充填材料及工藝，研究確定了充填體假頂?shù)某涮畈牧稀⒊涮钕到y(tǒng)、充填步距、充填空間支設(shè)、密封處理、充填工序等。

3)巷道充填體假頂強(qiáng)度分析設(shè)計(jì)方法及充填工藝可為類似條件巷道、破碎頂板巷道維護(hù)等提供有益借鑒。

4)類似工程的實(shí)施應(yīng)從實(shí)施目的、資源回收量、充填成本、支護(hù)成本、生產(chǎn)效率等方面綜合分析工程的必要性和可行性。