徐斌李永亮路彬李進(jìn)

1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;

2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083

固廢資源堆積、地表沉陷等問(wèn)題是制約煤炭資源開(kāi)發(fā)的重要阻礙[1-5],國(guó)內(nèi)提倡綠色礦山建設(shè),使得充填采煤成為解決上述問(wèn)題、提高采煤率的重要措施[6-8]。充填采煤的最終目的是減小上覆巖層移動(dòng)變形,降低地表沉陷。而在不同充填采煤階段,采場(chǎng)頂板的支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化,其頂板承載機(jī)制依次經(jīng)歷煤柱支撐、煤柱與充填體協(xié)同支撐、充填體支撐3 個(gè)階段[9]。在煤柱與充填體協(xié)同支撐階段,煤柱作為主要承載結(jié)構(gòu)維持采場(chǎng)的穩(wěn)定。Emad 等[10]分析了不同充填模式對(duì)采場(chǎng)變形的控制效果。Al Heib 等[11]分析了充填體對(duì)石膏礦柱的穩(wěn)定性影響,驗(yàn)證了充填開(kāi)采降低地表沉陷的效果。Kostecki 等[12]分析了充填體強(qiáng)度對(duì)煤柱變形的影響,王方田等[13]進(jìn)一步研究了充填體與煤柱協(xié)同作用下對(duì)頂板變形的控制效果。宋衛(wèi)東等[14-15]分析了不同巖石形態(tài)及充填體的應(yīng)力-應(yīng)變特征,研究了側(cè)限壓縮條件下充填體與巖柱的相互作用。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家基于不同的煤巖組合結(jié)構(gòu),構(gòu)建了煤巖組合體的損傷模型[16],并研究了不同傾角下煤巖組合體的剪切作用,分析了組合體強(qiáng)度及破壞特征[17-19]。針對(duì)充填體對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響,唐岳松等[20]以煤矸石為骨料,研究了粉煤灰對(duì)其強(qiáng)度的影響規(guī)律,得到了充填體的強(qiáng)度演化規(guī)律。陳磊等[21]則基于充填體強(qiáng)度演化規(guī)律,將采場(chǎng)分為強(qiáng)度增長(zhǎng)區(qū)和強(qiáng)度恒定區(qū),建立聯(lián)合支撐體系,得到采場(chǎng)變形分布規(guī)律。為提高充填效率,路彬等[22-23]提出了連采連充式膠結(jié)充填采煤技術(shù),實(shí)現(xiàn)了“間隔支巷出煤、分步充填置換”的目標(biāo)。在該模式下,煤柱暴露時(shí)間短,頂板承載結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換快,進(jìn)一步減少了地表沉陷。而在該條件下煤柱的變形特性、應(yīng)力分布規(guī)律等問(wèn)題尚不明確,對(duì)該開(kāi)采模式下的采場(chǎng)控制效果仍需進(jìn)一步研究。

本文基于昊源煤礦連采連充式膠結(jié)充填采煤工作面煤柱變形特性,通過(guò)研究不同開(kāi)采模式下頂板承載結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換規(guī)律,分析煤柱側(cè)向變形及應(yīng)力釋放規(guī)律,提出煤柱單側(cè)臨空狀態(tài)下的極限平衡寬度。通過(guò)數(shù)值模擬分析充填體寬度對(duì)煤柱承載特性的影響,并提出控制煤柱穩(wěn)定的措施。

1 工程概況

1.1 工程背景

內(nèi)蒙古昊源煤礦位于烏海市海南區(qū),采用連采連充式膠結(jié)充填采煤技術(shù)開(kāi)采16 號(hào)煤層。該煤層頂板以砂質(zhì)泥巖和泥巖互層為主,底板主要為砂質(zhì)泥巖,平均煤厚為5 m。連采連充工作面由運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷和開(kāi)切眼組成,在運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷之間沿走向間隔5 m 劃分為若干支巷。該工作面采用兩步式回采:一階段回采奇數(shù)支巷;二階段回采偶數(shù)支巷。連采連充式充填工序如圖1 所示。

圖1 連采連充式充填工序Fig.1 Filling process of continuous mining and filling

為滿足料漿流動(dòng)性以及充填體強(qiáng)度的要求,該工作面所用充填料漿濃度為81% ,水泥、粉煤灰、矸石的配比為11 ∶19 ∶51,充填體強(qiáng)度約為5 MPa。該工作面采用2 套獨(dú)立輸送系統(tǒng)輸送材料,即矸石輸送系統(tǒng)和料漿輸送系統(tǒng)。矸石輸送系統(tǒng)通過(guò)地表輸送帶將矸石運(yùn)送至溜矸孔,通過(guò)溜矸孔輸送至井下。料漿輸送系統(tǒng)通過(guò)料倉(cāng)將水泥和粉煤灰在充填站內(nèi)進(jìn)行拌和,拌和至預(yù)定濃度后通過(guò)管道輸送至井下。料漿與矸石在支巷巷口混合,利用煤層傾角進(jìn)行自流充填。

1.2 采場(chǎng)煤柱變形

煤層開(kāi)采后,由于未及時(shí)充填和充填不接頂,導(dǎo)致煤柱發(fā)生側(cè)向變形。隨工作面推進(jìn),該變形逐漸增大。煤幫的收斂變形及支護(hù)變形如圖2 所示。奇數(shù)支巷充填時(shí),充填體在未接頂?shù)那闆r下,兩側(cè)煤幫出現(xiàn)顯著的徑向變形,如圖2(a)(b)所示。煤柱臨空側(cè)應(yīng)力解除后,由三向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為兩向受力狀態(tài),在煤柱中間產(chǎn)生顯著變形。在擠壓作用下,煤柱兩端產(chǎn)生相對(duì)滑移,導(dǎo)致錨網(wǎng)變形,如圖2(c)(d)所示。采場(chǎng)煤柱變形與所處應(yīng)力環(huán)境以及回采模式等相關(guān),因此需進(jìn)一步研究煤柱變形特點(diǎn)。

圖2 煤幫兩側(cè)收斂及支護(hù)變形Fig.2 Convergence and support deformation on both sides of coal bank

2 充填采場(chǎng)頂板承載結(jié)構(gòu)分析

為研究連采連充式膠結(jié)充填采煤過(guò)程中煤柱的受力變化及變形特征,基于昊源煤礦充填工作面建立數(shù)值模型,分析不同工況下煤柱應(yīng)力分布特點(diǎn)及側(cè)向變形特征。昊源煤礦地質(zhì)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)Tab.1 Geomechanical parameters

基于昊源煤礦充填工作面巷道布置,特點(diǎn)建立長(zhǎng)240 m、高115 m 的模型,模型兩側(cè)預(yù)留50 m 邊界,采場(chǎng)長(zhǎng)度為140 m,將采場(chǎng)間隔5 m 劃分為若干支巷。各巖層采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型,固定兩側(cè)及底部邊界,模型計(jì)算收斂后,采用Fish 語(yǔ)言編寫(xiě)相關(guān)程序,提取圍巖及煤柱應(yīng)力與位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

為得到不同回采模式下煤柱的應(yīng)力分布及變形特性,分別建立兩步式回采、三步式回采和四步式回采3 種模型。模型分別間隔1 條支巷、2 條支巷、3 條支巷逐步回采,完成工作面充填。據(jù)此,分析不同煤柱寬度條件下頂板承載結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

2.1 圍巖應(yīng)力分布特征

工作面回采過(guò)程中,圍巖應(yīng)力釋放受煤柱的阻隔作用在采場(chǎng)內(nèi)形成多段非連續(xù)的平衡拱。采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布及應(yīng)力釋放規(guī)律如圖3 所示。不同回采模式下的應(yīng)力分布規(guī)律如下:

(1) 在兩步式回采中,隨工作面推進(jìn),充填體上方的平衡拱逐步擴(kuò)大。煤柱與充填體間隔分布,限制了兩側(cè)平衡拱的擴(kuò)展。而煤柱與充填體等寬,使相鄰平衡拱的拱腳間距較小,如圖3(a)所示。

(2) 在三步式回采中,煤柱寬度增大,平衡拱范圍略小,如圖3(b)所示。階段二回采導(dǎo)致平衡拱擴(kuò)大,且圍巖應(yīng)力在階段一充填體上方產(chǎn)生顯著釋放,煤柱的承載作用降低,如圖3(c)所示。

(3) 在四步式回采中,階段一回采時(shí),煤柱寬度增加,使其阻隔應(yīng)力傳遞作用增大,平衡拱間距增大,如圖3(d)所示。階段二回采使平衡拱進(jìn)一步擴(kuò)展,如圖3(e)所示。而在階段三中,煤柱作用顯著降低,圍巖應(yīng)力釋放范圍增大,如圖3(f)所示。

圖3 采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布及應(yīng)力釋放規(guī)律Fig.3 The stress distribution and stress release law of the surrounding rock of the stope

2.2 頂板承載結(jié)構(gòu)特性

采場(chǎng)應(yīng)力分布揭示了頂板承載結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換規(guī)律。頂板承載結(jié)構(gòu)依次經(jīng)歷煤柱與充填體協(xié)同承擔(dān)和完全由充填體承擔(dān)2 個(gè)階段。而在兩者協(xié)同承擔(dān)階段,煤柱作為主要承載結(jié)構(gòu)能有效控制頂板變形。以應(yīng)力平衡拱解釋頂板承載結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換,其擴(kuò)展規(guī)律如圖4 所示。各種回采模式下的頂板承載特性如下:

(1) 兩步式回采中,平衡拱拱腳在階段一回采時(shí)位于煤柱上方,煤柱作為主要承載結(jié)構(gòu),控制頂板變形。階段二回采時(shí),隨煤柱的采出,應(yīng)力平衡拱擴(kuò)展,當(dāng)拱頂擴(kuò)展至關(guān)鍵層后,產(chǎn)生移動(dòng)拱,如圖4(a)所示。

(2) 三步式回采中,前兩階段平衡拱逐步擴(kuò)展,煤柱仍為主要承載結(jié)構(gòu)。而在階段三回采中,煤柱兩側(cè)平衡拱迅速擴(kuò)展,直至形成移動(dòng)拱,如圖4(b)所示。

(3) 四步式回采中,前三階段與上述2 種模式一致,而在階段四中,平衡拱迅速擴(kuò)展,形成移動(dòng)拱,如圖4(c)所示。

圖4 采場(chǎng)圍巖應(yīng)力平衡拱擴(kuò)展規(guī)律Fig.4 Expansion law of stress balance arch of the surrounding rock of stope

壓力平衡拱的擴(kuò)展規(guī)律揭示了煤柱在充填過(guò)程中的作用。煤柱作為主要承載結(jié)構(gòu),阻隔兩側(cè)平衡拱擴(kuò)展,并與充填體協(xié)同承擔(dān)上部荷載。同時(shí),煤柱易產(chǎn)生較大的變形(圖2)。

2.3 煤柱水平變形規(guī)律

上述分析表明,在煤柱-充填體協(xié)同承載階段,煤柱為主要承載結(jié)構(gòu),易因過(guò)度變形而失穩(wěn)破壞。各階段煤柱水平變形如圖5 所示。根據(jù)煤柱側(cè)限條件的差異,將煤柱形態(tài)分為3 種,即兩側(cè)分別為煤柱與臨空面(形態(tài)一)、充填體和臨空面(形態(tài)二)、充填體和充填體(形態(tài)三)?，F(xiàn)結(jié)合圖5 著重分析煤柱臨空側(cè)水平變形的分布特點(diǎn)。

(1) 在兩步式回采中,煤柱處于形態(tài)一時(shí),受單側(cè)擾動(dòng),其變形較小。隨開(kāi)采推進(jìn),煤柱進(jìn)入形態(tài)三,圍巖受開(kāi)采擾動(dòng)加劇,煤柱側(cè)向變形增大,如圖5(a)所示。

(2) 在三步式回采中,煤柱處于形態(tài)一時(shí),煤柱寬度為2 條支巷寬度,其承載能力較強(qiáng),使其臨空側(cè)變形較小。而隨開(kāi)采推進(jìn),附加荷載增大,使其側(cè)向變形加劇,如圖5(b)所示。煤柱處于形態(tài)二時(shí),寬度減小,平衡拱增大,煤柱水平變形加劇,如圖5(c)所示。

(3) 在四步式回采中,煤柱寬度由3 條支巷逐步減少為單條支巷,故其變形規(guī)律與三步式回采一致,如圖5(d)(e)(f)所示。

圖5 各階段煤柱水平變形特性Fig.5 Horizontal deformation characteristics of coal pillars at various stages

經(jīng)分析,煤柱寬度減小使得應(yīng)力平衡拱擴(kuò)展,煤柱所受荷載增加,使其臨空側(cè)變形增加。相鄰支巷回采后,煤柱臨空側(cè)因失去側(cè)限約束而產(chǎn)生碎脹變形。當(dāng)其兩側(cè)均為充填體時(shí),因充填體強(qiáng)度較小,煤柱仍發(fā)生部分水平變形。相較而言,煤柱臨空側(cè)易產(chǎn)生較大變形。

2.4 煤柱水平應(yīng)力分布規(guī)律

煤柱水平應(yīng)力在3 種形態(tài)下的分布形式各不相同,在臨空側(cè)得到顯著釋放,在充填體側(cè)仍保持較高應(yīng)力,而在煤柱側(cè)保持原巖應(yīng)力。將12 號(hào)支巷作為研究對(duì)象,3 種形態(tài)的煤柱兩側(cè)應(yīng)力分布如圖6 所示。

(1) 當(dāng)煤柱處于形態(tài)一時(shí),臨空側(cè)無(wú)約束,在頂?shù)装宓臄D壓作用下,煤柱應(yīng)力呈中間小、兩端大分布,如圖6(a)所示。

(2) 當(dāng)煤柱處于形態(tài)二時(shí),臨空側(cè)應(yīng)力分布與形態(tài)一相同,如圖6(b)所示。而充填側(cè)受充填體約束,其應(yīng)力釋放較小。采用兩步式回采時(shí),采場(chǎng)擾動(dòng)大,使壓力平衡拱范圍增大,增加了煤柱所支撐的荷載,導(dǎo)致其水平應(yīng)力釋放增大,如圖6(c)所示。

(3) 當(dāng)煤柱處于形態(tài)三時(shí),其左側(cè)應(yīng)力分布規(guī)律在不同回采模式中基本一致,如圖6(d)所示。煤柱在兩步式回采時(shí)為主要承載結(jié)構(gòu),而在三步式回采和四步式回采中,充填體逐步成為主要承載結(jié)構(gòu),充填體的側(cè)向變形減弱了煤柱的應(yīng)力釋放,如圖6(e)所示。

圖6 煤柱兩側(cè)應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution on both sides of coal pillar

3 煤柱極限平衡區(qū)分析

3.1 煤柱極限平衡區(qū)寬度分布

支巷回采導(dǎo)致煤柱的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變,當(dāng)煤柱兩側(cè)為充填體時(shí),在充填體作用下避免了上覆巖層過(guò)度的變形。而當(dāng)煤柱一側(cè)為空頂區(qū)時(shí),臨空側(cè)易發(fā)生水平變形,致使煤幫失穩(wěn),造成上覆巖層發(fā)生顯著下沉。因此,本文著重研究煤柱處于臨空狀態(tài)時(shí)的極限平衡區(qū)寬度?，F(xiàn)基于文獻(xiàn)[24]建立煤柱承載結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型(圖7)。

圖7 煤柱承載結(jié)構(gòu)力學(xué)模型Fig.7 Mechanical model of coal pillar bearing structure

根據(jù)文獻(xiàn)[25],彈塑性交界面處應(yīng)符合應(yīng)力平衡方程:

當(dāng)煤柱上下兩側(cè)滿足極限平衡條件后,產(chǎn)生相對(duì)滑移,故根據(jù)極限平衡條件得到交界面處的剪應(yīng)力分布為

式中,φ為煤柱的內(nèi)摩擦角,(°);c為煤柱的黏聚力,MPa。

根據(jù)極限平衡區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布,可提出下述邊界條件:

當(dāng)x=0 時(shí)

當(dāng)x=le時(shí)

將式(1)代入式(2),并基于邊界條件式(3)、式(4)可得到極限平衡區(qū)內(nèi)煤的應(yīng)力分布:

進(jìn)而得到煤柱的應(yīng)力平衡區(qū)寬度:

當(dāng)煤柱變形超過(guò)其塑性極限后,煤柱臨空側(cè)產(chǎn)生片幫等現(xiàn)象。破碎區(qū)與塑性區(qū)交界面處的煤柱應(yīng)力應(yīng)滿足如下條件:

將式(7)代入式(5)中,可得到破碎區(qū)寬度:

破碎區(qū)影響煤柱穩(wěn)定,應(yīng)在煤柱進(jìn)入破碎區(qū)之前及時(shí)充填,恢復(fù)煤柱的三向受力狀態(tài),保持煤柱穩(wěn)定。

3.2 應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)極限平衡寬度的影響

圖8 給出了極限平衡寬度在應(yīng)力集中系數(shù)影響下的擴(kuò)展規(guī)律。根據(jù)塑性區(qū)與破碎區(qū)的分布關(guān)系,塑性區(qū)寬度可表示為

圖8 應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)極限平衡區(qū)擴(kuò)展影響Fig.8 Influence of stress concentration factor on the expansion of limit equilibrium zone

結(jié)果顯示,應(yīng)力集中系數(shù)通過(guò)影響塑性區(qū)分布,使極限平衡區(qū)寬度隨應(yīng)力集中系數(shù)增大而顯著增加。當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)大于5.5 時(shí),極限平衡區(qū)寬度大于2.5 m。在該條件下,若煤柱寬度為5 m,當(dāng)其兩側(cè)均為臨空側(cè)時(shí),煤柱整體均處于極限平衡區(qū)內(nèi),不利于煤柱的穩(wěn)定。因此,需根據(jù)圍巖條件確定合理的煤柱尺寸,保障煤柱穩(wěn)定。

3.3 臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度對(duì)極限平衡區(qū)的影響

臨時(shí)支護(hù)通過(guò)對(duì)煤柱臨空側(cè)施加約束,近似地將煤柱的兩向受力狀態(tài)還原為三向受力狀態(tài),提高了煤柱的穩(wěn)定性,達(dá)到控制煤柱極限平衡區(qū)擴(kuò)展的作用。結(jié)果顯示,臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度提高,煤柱極限平衡區(qū)寬度隨之下降,其破碎區(qū)與塑性區(qū)同步減小。當(dāng)臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度超過(guò)6 MPa 時(shí),煤柱不再產(chǎn)生破碎區(qū),同時(shí)煤柱塑性區(qū)也隨之減小;當(dāng)臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到14 MPa 后,煤柱不再產(chǎn)生極限平衡區(qū),其處于彈性變形狀態(tài)。臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度對(duì)極限平衡區(qū)寬度的影響如圖9 所示。

圖9 臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度對(duì)極限平衡寬度的影響Fig.9 Influence of Temporary Support Strength on Ultimate Equilibrium Width

3.4 煤層埋深對(duì)極限平衡寬度的影響

埋深對(duì)煤柱極限平衡區(qū)寬度的影響如圖10 所示。煤層埋深增加,煤柱上部荷載隨之增加,進(jìn)而使煤柱極限平衡區(qū)寬度增大,塑性區(qū)和破碎區(qū)同步增加。由式(4)與式(6)的計(jì)算結(jié)果可知,塑性區(qū)與破碎區(qū)隨埋深變化的增量基本一致。

圖10 埋深對(duì)極限平衡寬度的影響Fig.10 The effect of buried depth on the limit equilibrium width

綜上所述,應(yīng)力集中系數(shù)反映上覆圍巖條件對(duì)極限平衡區(qū)的影響,圍巖條件越差,煤柱極限平衡區(qū)寬度越大;埋深反映上覆巖層荷載對(duì)極限平衡區(qū)的影響,埋深越大,荷載越大,煤柱極限平衡區(qū)寬度隨之增加;臨時(shí)支護(hù)是控制極限平衡區(qū)寬度擴(kuò)展的重要措施,提高臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度,可減小煤柱的極限平衡區(qū)寬度,從而能夠維持煤柱穩(wěn)定。

4 煤柱與充填體不同組合狀態(tài)下的穩(wěn)定特性

充填體將煤柱由兩向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三向受力狀態(tài),其對(duì)煤柱側(cè)向約束作用顯著提高了煤柱的穩(wěn)定性。為進(jìn)一步分析充填體對(duì)煤柱穩(wěn)定性的影響,研究不同充填體與煤柱組合作用下煤柱的變形及應(yīng)力分布規(guī)律,建立不同充填體寬度的模型(圖11)。模型中間為煤柱,兩側(cè)為充填體,充填體與煤柱的寬度比為n∶1。本文取n為1 ～5。

圖11 煤柱與充填體組合結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型Fig.11 Numerical analysis model of combined structure of coal pillar and backfill

4.1 煤柱位移分布特性

在荷載總量不變的條件下,煤柱兩側(cè)充填體的寬度增加,降低了煤柱在模型中分擔(dān)的荷載占比。而充填體所承擔(dān)的荷載逐步增加,其對(duì)煤柱的側(cè)向約束作用隨之增強(qiáng),降低了煤柱的水平變形。結(jié)果顯示,n=1 時(shí),煤柱作為主要承載結(jié)構(gòu),其兩側(cè)變形較大。而當(dāng)n=5 時(shí),充填體所承受的荷載顯著增加,充填體逐步成為主要承載結(jié)構(gòu),煤柱的水平變形顯著降低。充填體寬度對(duì)煤柱變形的影響如圖12所示。

圖12 充填體寬度對(duì)煤柱變形的影響Fig.12 The influence of filling body width on coal pillar deformation distribution

4.2 煤柱應(yīng)力分布特性

與煤柱側(cè)向變形一致,其水平應(yīng)力隨充填體寬度的增加而減小。當(dāng)n=1 時(shí),煤柱作為主要承載結(jié)構(gòu),其應(yīng)力較高,且充填體的側(cè)向約束作用較弱,使得煤柱兩側(cè)應(yīng)力釋放較為明顯。而當(dāng)n=5 時(shí),煤柱所受荷載降低,同時(shí)充填體對(duì)其側(cè)向約束作用顯著提高,故煤柱兩側(cè)應(yīng)力釋放較小。充填體寬度對(duì)煤柱應(yīng)力分布的影響如圖13 所示。

圖13 充填體寬度對(duì)煤柱應(yīng)力分布的影響Fig.13 The influence of filling body width on coal pillar stress distribution

充填體寬度對(duì)煤柱的應(yīng)力釋放作用,一方面體現(xiàn)在減小了煤柱上方荷載,使其應(yīng)力較小,則側(cè)向變形較小,應(yīng)力釋放減弱;另一方面,充填體承受荷載增加,其對(duì)煤柱側(cè)向約束作用增加,進(jìn)一步減小煤柱側(cè)向變形,從而維持煤柱的穩(wěn)定。

5 工程應(yīng)用

為避免支巷煤柱失穩(wěn)破壞,昊源煤礦1602 工作面采用連采連充工藝,采煤與充填同步進(jìn)行,縮短煤柱臨空時(shí)間,減小煤柱臨空側(cè)變形。當(dāng)奇數(shù)巷首巷充填體達(dá)到7 d 強(qiáng)度后回采偶數(shù)巷,減小煤柱承載時(shí)間。并通過(guò)增大充填率提高充填體的承載能力,減小煤柱應(yīng)力。通過(guò)上述措施,1602 工作面煤柱在臨近支巷開(kāi)采但未充填時(shí)未出現(xiàn)較大變形。而煤柱臨近支巷充填后,煤柱兩側(cè)沒(méi)有臨空面,故無(wú)法對(duì)煤幫進(jìn)行觀測(cè),但根據(jù)開(kāi)采偶數(shù)巷煤柱時(shí)顯示,所采煤柱較為完整。上述措施有效地解決了煤幫變形失穩(wěn)等問(wèn)題,二階段回采時(shí)煤柱穩(wěn)定狀態(tài)如圖14 所示。

圖14 二階段回采煤柱穩(wěn)定狀態(tài)Fig.14 Stable state of coal pillars in the second stage

6 結(jié) 論

通過(guò)研究昊源煤礦連采連充工作面煤柱的變形及應(yīng)力釋放特性,得到煤柱變形規(guī)律及其極限平衡寬度影響因素。

(1) 充填采場(chǎng)內(nèi)頂板支撐結(jié)構(gòu)依次從煤柱與充填體協(xié)同支撐過(guò)渡到完全由充填體支撐。兩者協(xié)同承載期間,煤柱作為主要承載結(jié)構(gòu),其側(cè)向變形較大,采用四步式回采模式可顯著降低煤柱的應(yīng)力釋放。

(2) 煤柱的極限平衡寬度包括塑性區(qū)和破碎區(qū)。應(yīng)力集中系數(shù)僅對(duì)塑性區(qū)產(chǎn)生影響;臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度的提高能顯著降低極限平衡寬度;上部荷載增加,埋深增大將引起塑性區(qū)與破碎區(qū)的同步增大。充填體寬度增大,一方面能減小煤柱受力,另一方面能約束煤柱側(cè)向變形,維持煤柱穩(wěn)定。

(3) 連采連充工藝能提高充填效率和充填率,顯著縮短了煤柱的臨空時(shí)間,減小了煤柱受力。該工藝在昊源煤礦中有效維持了煤柱的穩(wěn)定性。