俯采超高水材料充填體穩(wěn)定性控制研究

周 帥 馮光明 李 杰

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院;2.深部煤炭資源開采教育部重點實驗室)

1 工作面概況

山西大莊煤礦可采資源儲量1 233萬t，占壓煤炭可采資源量為785.4萬t，占目前全礦總可采資源量的63.3%，建筑下壓煤導(dǎo)致無法布置工作面，嚴(yán)重影響了礦井連續(xù)生產(chǎn)。813作為試采充填工作面，能否順利實施關(guān)系到整個礦井的生存。813工作面約有長達50m的俯采段，坡度為0°～8°。此階段中采空區(qū)基本頂較破碎，移架后充填包體常出現(xiàn)失穩(wěn)傾倒、垮塌，嚴(yán)重影響了工作面生產(chǎn)及采空區(qū)充填。

813充填工作面所采煤層為8#煤層，煤層頂板為灰?guī)r，底板多為泥巖，局部為粉砂質(zhì)泥巖及砂巖。工作面長度為150 m，煤層厚度2.63～3.05 m，平均2.83 m，煤層傾角為0°～8.5°，平均4.3°。采煤工藝為綜采充填支架配合超高水材料袋式充填開采。充填液壓支架由前架和后架組成，工作面正常支護采用前架，充填包之間間隔位置處及兩個端頭側(cè)的前架后方連接后架(可根據(jù)充填體長度調(diào)整相鄰兩后架的間距)，后架頂梁兩側(cè)設(shè)有側(cè)隔板，其余每個前部液壓支架的頂梁上均設(shè)有擋板，擋板與兩側(cè)隔板一并圍成“門”字形的便于掛袋充填的框架。采用將超高水充填材料充入吊掛好的袋內(nèi)，凝固后對上覆巖層直接進行支撐的充填方法。該工藝操作簡單，初期投資低，機械化程度高［1］。充填袋及支架布置如圖1。

2 俯采段充填體力學(xué)模型分析

為了定量分析充填體失穩(wěn)的原因及失穩(wěn)的條件，建立了俯采段充填體的力學(xué)模型如圖2、圖3，分別從整體和部分兩方面分析計算了失穩(wěn)原因［2-4］。

由于短時間內(nèi)充填體未對頂板起到支護作用，因此忽略頂板壓力。當(dāng)分別滿足式(1)、式(2)的條件時，充填體不會整體沿底板滑動和整體翻倒:

圖1 充填液壓支架布置

圖2 俯采段充填體力學(xué)模型

圖3 充填體單元體剪切破壞

式中，G為充填體的重力，θ為俯采角度，μ為底板與充填體靜摩擦系數(shù)，h為充填體高度，b為充填體寬度。以大莊煤礦為例，充填體規(guī)格為2.83 m×2.1 m×15 m，容重取1，μ取0.4，由此計算得出俯采角度應(yīng)在0°～15°。

以充填體的單元體為計算對象，根據(jù)摩爾剪切理論，抗剪強度

式中，τ為抗剪強度，c為內(nèi)聚力，φ為內(nèi)摩擦角，σ為豎直應(yīng)力。移架時(按充填后8 h計算)充填體的抗剪切強度τf＞抗剪強度τ時，充填體的單元體不會遭到剪切破壞。通過計算分析得出:水體積為95%的超高水材料可以滿足要求，不會被剪切破壞。

由以上分析得出:充填體的穩(wěn)定性與俯采角度和充填體的強度有關(guān)。俯采角度越小、充填材料強度越高對充填體的穩(wěn)定控制越有利。

3 充填體穩(wěn)定性控制方法

俯采段傾角與工作面布置有關(guān)，在布置工作面時盡量將其布置成仰斜或水平，不允許時可將其布置成俯斜或偽俯斜，使俯斜角度盡量變小，降低充填體失穩(wěn)的可能性。由于813工作面布置時受周圍原采空區(qū)所限，俯采角度已確定，不可改變。

充填體的強度與時間及充填漿液的配比有關(guān)［5-7］。在其他條件相同的前提下，不同濃度的漿液固結(jié)后在相同的時間內(nèi)具有不同的強度，而相同濃度的漿液固結(jié)后在不同的時間強度也不同。超高水材料抗壓強度參見表1。

表1 超高水材料抗壓強度

因此對充填體的穩(wěn)定性控制主要基于加強充填體自身強度和施加外力兩方面，具體措施如下:①在充填管路承載范圍內(nèi)，調(diào)整了充填材料的水體積，由原來的96%調(diào)整至95%，以加強充填體自身的強度。②調(diào)整了充填外加劑的比例，使袋內(nèi)充填體加速凝固，在下一循環(huán)拉支架時已達到一定強度。③給予充填體充分凝固的時間，在俯采坡度較大的情況下，對充填工序進行了安排調(diào)整，由原來的4 h凝固時間增加到8 h。④充填包掛包時，在靠支架一側(cè)用單體液壓支柱支撐，每隔約4 m設(shè)1根，拉架后單體液壓支柱對充填體起到支撐作用，如圖4所示。

圖4 單體液壓支柱支護充填體

經(jīng)試驗，采取上述控制方法后，充填體固結(jié)良好，強度明顯增強;單體液壓支柱支撐作用明顯，起到了很好的控制作用。充填體未出現(xiàn)較大變形及失穩(wěn)垮落，與采取此措施之前相比，穩(wěn)定性大大提高，從而成功通過了俯采階段，保證了充填開采的順利進行。

5 結(jié)論

(1)充填工作面盡量布置為仰采，避免使充填體的穩(wěn)定受到傾角的影響，有利于提高充填的成功率;在俯采條件下有必要控制充填體的穩(wěn)定性。

(2)超高水充填配合充填液壓支架可以大大提高充填效率，并且操作簡便，尤其是俯采應(yīng)用成功后，對煤礦地質(zhì)條件適應(yīng)性進一步增強。

(3)超高水材料采空區(qū)充填具有更廣闊的應(yīng)用范圍，將給礦井開拓布局、生產(chǎn)接續(xù)帶來更大的靈活性。

［1］ 馮光明，王成真，李鳳凱，等.超高水材料袋式充填開采研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2011，28(12):602-607.

［2］ 徐金海，付寶杰，周保精.充填體的流變特性分析［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，37(9):585-589.

［3］ 周志強.粘結(jié)構(gòu)件粘結(jié)性能的內(nèi)聚力模型分析［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.

［4］ 王海龍，郭惟嘉，陳紹杰，等.煤礦充填膏體力學(xué)性質(zhì)實驗研究［J］.礦山研究與開發(fā)，2012(8):8-10.

［5］ 丁 玉，馮光明，王成真.超高水充填材料基本性能實驗研究［J］.煤炭學(xué)報，2011，36(7):1087-1092.

［6］ 馮光明，丁 玉，朱紅菊，等.礦用超高水充填材料及其結(jié)構(gòu)的實驗研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報.2010，39(6):813-818.

［7］ 馮光明.超高水充填材料及其充填開采技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2009.