張藝亮

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 唐安煤礦分公司, 山西 晉城 048400)

“三下”壓煤導(dǎo)致地表工程建設(shè)與地下資源開采矛盾突出,嚴(yán)重制約了能源的穩(wěn)定供應(yīng)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[1]. 為解放“三下”煤炭資源,超高水充填、矸石充填與膏體充填開采技術(shù)成為了主要的技術(shù)途徑[2-5]. 唐安煤礦為解決3#煤層建筑物下壓煤問題,擬采用超高水充填材料進(jìn)行充填開采,通過運(yùn)用實(shí)驗(yàn)分析、數(shù)值模擬與工程實(shí)踐等方法探究不同水體積比超高水充填材料的支護(hù)強(qiáng)度,為“三下”煤炭資源綠色開采提供工程依據(jù)。

1 充填支護(hù)工程概況

唐安煤礦現(xiàn)主要開采3#煤層,平均煤厚6.09 m,煤層層理明顯,節(jié)理、裂隙較發(fā)育,煤質(zhì)較好。煤層傾角3°～7°,普氏硬度f為2,容重為1.43 t/m2.基本頂為細(xì)砂巖,平均厚度4.8 m,完整性較好。直接頂為泥巖,平均厚度2.7 m,完整性較好。偽頂為泥質(zhì)頁巖,平均厚度0.4 m,隨采隨落。直接底為粉砂巖,平均厚度2.2 m,層理發(fā)育。運(yùn)輸順槽600～800 m處有一斷層,其它地質(zhì)構(gòu)造對(duì)生產(chǎn)影響不大。3#煤層水文地質(zhì)條件較簡單,工作面水害主要類型有頂板裂隙水、老空水,在巷道低洼處聚集。根據(jù)相鄰工作面回采期間涌水情況,預(yù)計(jì)正常涌水量為13 m3/h,最大涌水量為45 m3/h. 瓦斯含量3.54 m3/t. 煤塵不易自燃,無爆炸危險(xiǎn)性。

設(shè)計(jì)區(qū)域充填開采影響范圍內(nèi)地表主要以永安村、掌握村、磚窯上村及蔬菜大棚為主,緊鄰唐安煤礦分公司辦公及生活區(qū),見圖1.

圖1 充填開采影響區(qū)域圖

充填工作面采用超高水材料袋式充填方法,具體形式見圖2,在液壓支架后方與采空區(qū)內(nèi)放置充填袋,并充入超高水充填材料,當(dāng)充填材料凝固后,便可對(duì)上覆巖層進(jìn)行支撐。

圖2 超高水充填支護(hù)布置方式圖

2 超高水固結(jié)體力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試

為探究不同超高水充填材料的支護(hù)強(qiáng)度,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配置92.5%、93%、94.7%、96%,共計(jì)4種不同水體積比的超高水固結(jié)體,測(cè)試固結(jié)體在1 d、7 d、14 d、28 d,共計(jì)4種不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的單軸抗壓強(qiáng)度,得到強(qiáng)度變化曲線見圖3.

圖3 不同水體積比超高水固結(jié)體力學(xué)強(qiáng)度變化曲線圖

根據(jù)圖3所示,在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下,超高水固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度隨著水體積比的降低而提升,在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1～14 d時(shí),抗壓強(qiáng)度緩慢增加,在14 d以后抗壓強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定?？箟簭?qiáng)度在水體積比為92.5%時(shí)達(dá)到最大為4.120 MPa,在水體積比為96%時(shí)的抗壓強(qiáng)度最小為1.294 MPa. 通過擬合,得到抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的函數(shù)關(guān)系見表1,根據(jù)函數(shù)擬合關(guān)系可知,超高水固結(jié)體與養(yǎng)護(hù)時(shí)間基本呈現(xiàn)二次函數(shù)的擬合關(guān)系。

表1 抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的函數(shù)擬合關(guān)系表

3 超高水固結(jié)體微觀測(cè)試分析

為探究不同水體積比超高水固結(jié)體的微觀結(jié)構(gòu)差異,將養(yǎng)護(hù)28 d的水體積比為93.0%與94.7%的超高水固結(jié)體研磨成粉末,利用Quanta250型電子顯微鏡進(jìn)行微觀測(cè)試分析,得到兩種材料的微觀結(jié)構(gòu)見圖4.

圖4 不同水體積比超高水固結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖4所示,超高水固結(jié)體的微觀結(jié)構(gòu)主要包括鈣礬石與凝膠狀物質(zhì),當(dāng)水體積比由93.0%上升到94.7%時(shí),鈣礬石的密度逐漸降低,同時(shí)也導(dǎo)致孔隙度逐漸增加,抗壓強(qiáng)度隨著孔隙度的變化而削弱,不同形狀的鈣礬石(針狀、棒狀)形成了固結(jié)體的多孔材料特性。綜合分析可知,超高水固結(jié)體的強(qiáng)度變化是微觀結(jié)構(gòu)變化的結(jié)果。當(dāng)水體積比越小時(shí),固結(jié)體的微觀結(jié)構(gòu)越致密,材料的抗壓強(qiáng)度升高。

4 超高水充填材料支護(hù)效果分析

為探究不同水體積比的超高水充填材料對(duì)采場覆巖的支護(hù)效果,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析,以唐安煤礦3#煤層為背景,建立長寬高分別為300 m、180 m、94 m的數(shù)值模型,工作面的開采長度為200 m,寬度為110 m. 采用摩爾-庫倫計(jì)算準(zhǔn)則,固定模型的左右與前后邊界,根據(jù)覆巖厚度進(jìn)行換算,在模型上方施加15.7 MPa的垂直應(yīng)力,數(shù)值模擬巖性參數(shù)見表2.

表2 數(shù)值模擬巖性參數(shù)表

不同水體積比是影響超高水充填材料支護(hù)效果的主要因素,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得到不同水體積比超高水充填材料的力學(xué)參數(shù)見表3.

表3 不同水體積比超高水充填材料力學(xué)參數(shù)表

由圖5不同水體積比超高水充填材料支護(hù)條件下的塑性區(qū)發(fā)育圖可知,頂板的塑性破壞深度隨著水體積比的逐漸增大而增加,破壞深度分別為14.6 m、16.5 m、17.1 m、31.4 m、35.8 m,當(dāng)水體積比大于94.7%時(shí),頂板的破壞深度增量快速增加。采空區(qū)上方頂板發(fā)生剪切破壞,而工作面正上方的頂板發(fā)生拉伸破壞。

圖5 不同水體積比超高水充填材料支護(hù)效果圖

根據(jù)圖6頂板下沉量曲線圖,水體積比為92.5%、93.0%、94.7%、95.5%、96.0%的超高水充填材料條件下的頂板下沉量分別為106 mm、137 mm、144 mm、215 mm、288 mm,當(dāng)水體積比大于94.7%時(shí),頂板下沉量增加劇烈,兩級(jí)增量分別為71.90 mm與72.77 mm. 綜合分析可知,當(dāng)水體積比大于94.7%時(shí),超高水充填材料無法有效對(duì)覆巖進(jìn)行支撐,考慮到材料成本,最終確定超高水充填材料的水體積比為94.7%.

圖6 頂板下沉量曲線圖

5 現(xiàn)場應(yīng)用

為探究選用的超高水充填材料對(duì)頂板的支撐效果,對(duì)回采巷道的圍巖移近量與液壓支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè),得到現(xiàn)場礦壓監(jiān)測(cè)曲線見圖7.

圖7 現(xiàn)場礦壓監(jiān)測(cè)曲線圖

根據(jù)圖7(a)軌道巷頂板在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)的最大下沉量為35 mm,兩幫為30 mm,皮帶巷頂板的最大下沉量為30 mm,兩幫為30 mm. 監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,選用水體積比為94.7%的超高水充填材料可有效地對(duì)頂板進(jìn)行充填支撐,圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制。

3#煤層采用ZC7000/19/40型充填液壓支架,額定工作阻力與支護(hù)強(qiáng)度為7000 kN與0.67 MPa. 根據(jù)圖7(b)煤層開采過程中液壓支架的前柱與后柱的工作阻力分布較為均勻,無明顯的偏載,頂板的周期來壓強(qiáng)度與間隔步距正常,表明液壓支架的工作阻力可以有效對(duì)頂板進(jìn)行控制。

6 結(jié) 語

1) 通過分析水體積比為92.5%、93%、94.7%、96%的超高水固結(jié)體在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的抗壓強(qiáng)度,表明在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下,超高水固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度隨著水體積比的降低而提升,超高水固結(jié)體與養(yǎng)護(hù)時(shí)間基本呈現(xiàn)二次函數(shù)的擬合關(guān)系。

2) 根據(jù)微觀測(cè)試表明,當(dāng)水體積比越小時(shí),固結(jié)體的微觀結(jié)構(gòu)越致密,材料的抗壓強(qiáng)度升高。數(shù)值模擬分析表明,當(dāng)水體積比大于94.7%時(shí),頂板的破壞深度快速增加,最終確定超高水充填材料的水體積比為94.7%.

3) 回采巷道的圍巖移近量與液壓支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯示,軌道巷頂板在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)的最大下沉量為35 mm,兩幫為30 mm,皮帶巷頂板的最大下沉量為30 mm,兩幫為30 mm,驗(yàn)證了選用的充填材料可有效對(duì)頂板與圍巖進(jìn)行支撐與控制。