固體充填工作面支架工作特性及頂板控制分析

劉曉明，趙同彬，王明強，李占海，房 凱

(1.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590；2.開灤(集團)有限責任公司，河北 唐山 063000)

固體充填工作面支架工作特性及頂板控制分析

劉曉明1，趙同彬1，王明強2，李占海1，房 凱1

(1.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590；2.開灤(集團)有限責任公司，河北 唐山 063000)

以唐山礦9煤層充填工作面為工程背景，采用現場實測與數值模擬相結合的方法，對充填液壓支架工作特性及工作面頂板沉降控制效果進行研究。研究結果表明：固體充填工作面礦壓顯現緩和，充填支架具有動壓系數小的顯著工作特性；充填支架的高效支撐對抑制頂板彎曲下沉及層間離層發揮了重要作用，實測充填工作面內頂板累計下沉量占開采高度的13%，工作面上方頂板離層現象主要分布在淺部4 m范圍內；支架支護阻力的提高可有效控制頂板下沉保證足夠的充填空間，當支架支護強度由0.4提高到0.6 MPa時，工作面頂板下沉值降低15.6%，當支護強度繼續提高時，支架對頂板下沉的控制效果開始減弱。合理的充填支架支護強度可以控制頂板下沉，保證良好的采空區充填效果，進而減小覆巖及地表變形。

固體充填采煤；充填支架；工作特性；支護強度；頂板控制

充填液壓支架是控制頂板下沉、保障充填率的關鍵設備，其工作特性明顯影響充填采煤巖層移動控制效果。充填質量除與充填材料力學性質有關外，還與工作面頂板控制有較大關系。充填前頂板下沉量，也是影響地表下沉的關鍵因素之一[1-2]，其值偏大不僅造成工作面礦壓顯現劇烈，還會造成有效充填空間減小、充填率降低等問題。

近年來，諸多學者對充填液壓支架受力及抵抗頂板變形能力進行了研究[3-4]，取得了許多有益成果，為充填支架選型、采場支架管理等工程應用提供了理論依據。黃輝[5]通過建立簡化模型，分析了充填液壓支架與圍巖的力學關系。王家臣等[6]通過研究充填開采與傳統綜采覆巖運動規律的不同，揭示了充填開采支架主動支護頂板的作用機理。繆協興等[7]通過比較固體充填支架與傳統綜采支架在控制頂板方面的差異性，闡述了充填支架控制頂板完整、維護充填空間的重要作用。工作面內頂板沉降大小與充填支架的架形、結構及承載性能密切相關，在采空區充填作業時，有效充填高度降低將難以通過充填工藝進行補償。因此有必要進一步研究充填支架工作特性及頂板沉降控制效果。

本研究以唐山礦9煤T3292充填工作面為工程背景，采用現場實測與數值模擬分析相結合的方法，對充填支架工作特性以及支架控制工作面頂板沉降規律進行研究。

1 固體充填工作面概況

唐山礦T3292工作面采用矸石充填采煤方法開采建筑物下煤炭資源，開采煤層為9煤層，開采水平位于十二水平，工作面標高為-690～-750 m。煤層厚度為4.78 m，煤層傾角8°～12°，屬緩傾斜煤層。工作面傾向長86 m，開采走向長1 200 m，沿工作面傾斜方向由下往上依次布置58組液壓支架。工作面沿走向推進，為一俯斜開采工作面。工作面煤層頂板以灰白色中細砂巖為主，根據工作面頂底板巖層柱狀圖、現場鉆探及實驗室測定資料分析，得到頂底板巖層的物理力學參數見表1所列。

為保證充填效果和減少充填開采不確定性因素的影響，工作面采高僅為3.5 m，底板留有1.2 m厚的底煤。工作面選用的液壓支架型號為ZZC7000，該支架為四柱支撐式充填液壓支架，支護阻力為7 000 kN，支護強度為0.725 MPa，控頂距為9.34 m。支架立柱設計初撐力為24 MPa(對應支護強度為0.6 MPa)。工作面回采工藝流程為割煤-移架-推溜-充填，設計采充質量比為1∶1.3，工作面推進速度為2.0 m/d。工作面采空區采用矸石直接充填工藝，充填過程中首先利用輸送機將充填料運到采空區，再利用支架夯實機構進行夯實充填。

表1 工作面頂底板巖層力學參數

Tab.1 Mechanical parameters of rock stratum on roof and floor of working face

巖性厚度/m體積模量/GPa剪切模量/GPa摩擦角/(°)內聚力/MPa抗拉強度/MPa密度/(kg·m-3)細砂巖14.003.1501.464318.012.02650粉砂巖2.403.6901.614518.012.526508煤3.000.7300.30282.81.01310泥巖3.600.9400.36364.03.02300粉砂巖10.03.5001.534518.012.52650泥巖2.500.9400.36364.03.023009煤4.781.1400.45282.81.41310砂質泥巖1.501.8700.873612.011.02300泥巖4.500.9400.36363.03.02300粉砂巖20.002.9552.184518.012.52650

圖1 支架壓力及頂板沉降監測示意圖

圖2 頂板沉降測點布置剖面示意圖

2 充填液壓支架工作特性分析

固體充填采煤液壓支架既具有傳統綜采液壓支架掩護采煤基本功能，又具有掩護充填的特殊作用。對固體充填采煤液壓支架工作特性有兩項基本要求，一是保障采煤作業空間穩定，二是保證足夠的充填高度。

為了研究固體充填液壓支架工作特性，對支架工作阻力及工作面控頂范圍內頂板沉降量進行實測研究。在工作面2#、9#、17#、25#、33#、41#、49#、57#支架，布置有8臺支架壓力監測分機對工作面支架壓力進行實時監測。工作面內頂板沉降量采用在頂底板布置固定測點測量的方法，并對支架立柱壓縮量與頂梁下沉高度之間關系進行統計分析。支架壓力及頂板沉降監測布置如圖1所示，頂板沉降測點布置剖面如圖2所示，在支架前方煤壁附近頂底板處布置固定測點記錄頂底板初始高度，隨著工作面推進多次測量頂底板收斂量，測點到達支架后頂梁末端時測量末態高度。

2.1 支架支護承載特性

工作面自開切眼至推進90 m過程中，對25#支架監測數據進行統計分析。支架平均工作阻力隨工作面推進距離增加變化規律如圖3所示，由于采空區采用固體充填管理頂板，工作面礦壓顯現緩和、頂板活動輕微。實測表明支架最大工作阻力僅為30.4 MPa，頂板下沉造成工作阻力增加的幅度較小，動壓系數最大僅為1.2左右。固體充填開采工作面周期來壓現象不明顯，工作面每向前推進8～12 m，支架平均工作阻力將出現一次壓力峰值，工作面推進90 m范圍內，共出現8次壓力峰值。由此推斷充填工作面頂板未發生破斷、完整性較好，以整體彎曲下沉形式運動。

在頂板下沉及轉動的過程中出現液壓支架后柱支護阻力略高于前柱現象，實測支架后柱的平均支護阻力為26.12 MPa，比前柱高出10.7%。綜上分析，充填工作面礦壓顯現緩和，未出現劇烈來壓現象，充填工作面支架阻力發揮良好，支架有足夠的阻力抵抗頂板的彎曲變形，能夠保障采煤空間安全穩定。

圖3 支架工作阻力與工作面推進距離關系

2.2 支架控制頂板變形特性

充填支架既要有足夠的支撐能力，在回采工作面支護住直接頂，使其頂板不發生破斷；同時充填支架還必須能控制住頂板下沉量、保證足夠的充填空間。充填工作面支架對頂梁運動采取“限定變形”，巖梁運動穩定時位態由回采工作面支架和充填體共同限定。充填支架支護下實際有效充填空間一直是充填作業關注的核心問題。

圖4 充填工作面頂板下沉曲線

圖5 工作面頂板上方巖層破裂形態

由于充填工作面使用了金屬網支護，保證了支架與頂板保持緊貼，因此充填支架頂梁下沉值近似等于工作面頂板下沉值。充填工作面頂板下沉曲線如圖4所示，隨著工作面推進，頂板下沉值逐漸增大。工作面內頂板累計下沉量達452 mm，占采高的13%，實際有效充填高度僅占采高的87%。充填工作面頂板沉降變形主要發生在前后頂梁區域，尤其以后頂梁處下沉最為明顯。支架后頂梁與支架主體部分僅用支撐角度較小的液壓油缸支撐，缺少足夠的支架強度來控制后頂梁上方頂板，是造成工作面頂板產生沉降的主要原因。除此之外，在超前支承壓力和開挖瞬時擾動效應共同影響下，支架前頂梁區域頂板沉降也較為明顯。

2.3 支架控制頂板離層效果

頂板巖層內部離層破壞可作為評價工作面支護質量的指標。在工作面中部頂板布置覆巖觀測鉆孔，采用TYGD10鉆孔巖層探測儀對工作面頂板巖層進行探測。采用特質鋼管對鉆孔孔口進行保護，防止頂板破碎無法完成后續觀測，鉆孔深度為10 m，探測位置分別在距煤壁1和8 m位置處。

探測圖像如圖5所示，圖像顯示隨著工作面推進，工作面頂板下沉的同時伴隨著頂板巖層發生變形，出現了離層現象。充填采場覆巖移動以離層的形式由下往上依次發展，當探測位置位于支架前頂梁位置時，工作面頂板巖層未發生較大沉降，頂板巖層僅出現沿層理弱面輕微分開現象；當探測位置位于支架后頂梁位置時，頂板淺部巖層出現明顯離層甚至破碎現象，頂板破碎范圍達1.2 m，頂板上方2 m范圍內可見明顯豎向裂隙。由于充填液壓支架及時支撐控頂區頂板巖層，工作面上方頂板裂隙主要分布在淺部4 m范圍內，避免了頂板巖層離層現象向深部擴展。

3 頂板沉降控制數值模擬分析

從力學角度看，煤層開采引起工作面圍巖應力不斷調整，進而導致工作面頂板彎曲下沉。實驗室和現場調壓試驗證明，工作面頂板下沉量與支護強度之間存在雙曲線關系，稱為“P-ΔL”曲線[8-9]。通過數值模擬計算不同支護強度下頂板下沉量是工作面支架選型研究的重要方法[10]。嘗試利用FLAC數值模擬軟件計算充填工作面不同支護強度下的頂板下沉量，通過繪制“P-ΔL”曲線研究充填支架抵抗頂板變形的控制效果。

采用的模型尺寸為x×y×z=200 m×126 m×65 m，其中工作面尺寸為86 m×3.5 m×100 m。模型計算中采用莫爾-庫侖屈服準則，頂底板力學參數見表1所列。模型上部為應力邊界條件且為自由表面，其他邊界為位移邊界，施加位移約束。根據上覆巖層的密度及煤層埋深，模型上部邊界施加17.5 MPa均布壓應力。為模擬支架支撐作用，將支架支撐力近似為對頂板的均布載荷。工作面推進過程中始終保持10 m控頂區，分別模擬研究支護強度為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa時的頂板下沉值。充填方式選擇隨采隨充，即在保證10 m控頂區條件下，工作面每向前推進2 m充填1次。本次數值模擬試驗中通過對充填范圍內的單元重新賦值實現矸石充填模擬，矸石體力學參數見表2所列。

表2 充填體力學參數

圖6為支護強度為0.6 MPa、工作面推進100 m時，工作面中部剖面位移等值線圖。在控頂區內頂板下沉值約為0.4 m，采空區頂板下沉量可達0.6 m，同樣可得到工作面推進100 m支護強度為0、0.2、0.4、0.8、1.0 MPa時充填工作面頂板下沉量。不同支架支護強度下頂板下沉量曲線如圖7所示，不同支護強度下頂板下沉趨勢基本一致，在開挖前變形量很小，頂板暴露后隨著測點與煤壁距離增加，頂板沉降量逐漸增大。不同支護強度下頂板下沉量隨工作面推進差值不斷增大，到達支架末端時由于支護強度差異引起的頂板下沉量差值達100 mm以上。

圖6 工作面中部剖面位移等值線圖

圖8為頂板下沉量與支架支護強度之間關系圖，頂板下沉量隨支護強度的增加逐漸減小，兩者之間近似呈雙曲線關系。支架支護強度的提高對控制頂板下沉有重要影響。在支護強度小于0.6 MPa時，支護強度的增加對控制頂板下沉量作用明顯，當支護強度為0.6 MPa時，工作面頂板最大下沉量為460 mm，較支護強度為0.4 MPa降低達15.6%；當支架支護強度大于0.6 MPa時，支護強度的增加對控制頂板下沉作用明顯減弱，頂板變形不再發生明顯變化，此時能夠有效控制頂板下沉。

圖7 不同支架支護強度下頂板下沉量曲線

圖8 頂板下沉量與支架支護強度關系圖

4 結論

1) 充填工作面礦壓顯現緩和，充填支架具有動壓系數小的工作特性。工作面支架工作阻力發揮良好，支架最大工作阻力為30.4 MPa，動壓系數僅為1.2左右，支架有足夠的支護阻力抵抗頂板的彎曲變形。

2) 支架高效支撐對抑制頂板彎曲下沉及離層發揮了重要作用。實測充填工作面內頂板累計下沉量占采高的13%，工作面上方頂板離層現象主要分布在淺部4 m范圍內，支架及時有效支撐能夠控制頂板下沉位態，可避免離層現象向深部發展。

3) 提高支架支護強度是減少充填工作面頂板下沉量、維護充填空間的重要途徑。支護強度由0.4提高到0.6 MPa，工作面頂板下沉值降低達15.6%；當支護強度繼續提高時，支架對頂板下沉的控制效果影響開始減弱，頂板變形不再發生明顯變化，此時能夠有效控制頂板下沉。

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(責任編輯：呂海亮)

Analysis of Working Characteristics and Roof Control of Backfilling Hydraulic Support

LIU Xiaoming1, ZHAO Tongbin1, WANG Mingqiang2, LI Zhanhai1, FANG Kai1

(1. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. Kailuan Group, Tangshan, Hebei 063000, China)

This paper, based on the engineering conditions of the working face of No.9 seam in Tangshan Coal Mine, investigated the working characteristics and roof subsidence control of backfilling hydraulic support by combining field measurement and numerical simulation analysis. Studies show that in the backfilling working face, the mine pressure behavior is relaxed and the dynamic pressure coefficient of the support is small. The efficient support of the backfilling hydraulic support plays an important role in suppressing roof bending subsidence and separation. The field measurements indicate that the roof subsidence of the working face accounts for about 13% of the mining height and the roof separation above the working face takes place mainly in the shallow part within the depth of 4 m. The improvement of support resistance can effectively control roof subsidence and ensure enough filling space. When support strength increases from 0.4 to 0.6 MPa, the roof subsidence value decreases by 15.6%. However, when the support strength continues to increase, the control effect of the support on roof subsidence begins to weaken. Therefore, reasonable hydraulic support strength can effectively control roof subsidence and guarantee good goaf filling effect, thus reducing roof overburden and surface deformation.

solid backfill coal mining; backfilling hydraulic support; working characteristics; support strength; roof control

2016-09-02

國家自然科學基金項目(51674160)；山東科技大學人才引進科研啟動基金項目(2014RCJJ026,2015RCJJ044)

劉曉明 (1991—)，男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事礦山巖石力學研究.E-mail：15054211582@163.com 趙同彬 (1975—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士生導師，主要從事礦山巖體力學與巖層控制研究，本文通信作者.E-mail：ztbwh2001@163.com

TD325.4

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1672-3767(2017)02-0042-06