綜放沿空留巷巷旁充填體設計研究

李懷淵(山西汾西礦業集團 水峪煤業，山西 孝義 032300)

綜放沿空留巷巷旁充填體設計研究

李懷淵
(山西汾西礦業集團 水峪煤業，山西 孝義 032300)

為了確定深井綜放面沿空留巷巷旁支護體合理參數，基于某礦2302工作面實際情況建立了數值分析模型，確定了能夠滿足2302工作面前期切頂、后期保持基本頂穩定的支護體所需支護阻力，選擇了矸石膠結充填材料，確定了支護體的材料配比，并分析了不同充填體寬度下應力峰值、頂底板移近量、兩幫移近量等參數，確定了合理支護體寬度為1.6 m. 現場使用效果表明，該支護體寬度的選擇能夠有效控制圍巖變形。

綜放沿空巷道；巷旁充填；矸石膠結；支護阻力；充填體寬度

1 工作面概況

某礦2302工作面采用綜采放頂煤工藝，走向長2 570 m，傾向長258 m，采深810 m，煤厚9 m，傾角0～6°，平均3°，巷道斷面為矩形，凈寬4.5 m，凈高3.5 m，采用錨網帶索支護方式，并配錨桿錨索加強支護，煤容重為1.39 t/m3，根據工作面情況，沿空留巷模型見圖1. 煤層頂底板巖性特征見表1.

圖1 沿空留巷平面示意圖

2 巷旁充填體阻力計算

2.1巷旁充填體前期切頂阻力計算

巷旁填充體力學模型見圖2.

巷旁充填體前期需要一定的支護阻力來切斷直接頂，以使破碎的直接頂與煤壁共同支撐基本頂，考慮煤壁的支撐作用，前期巷旁充填體阻力計算公式[1，2]：

(1)

表1 頂底板巖性特征表

圖2 力學模型圖

式中：

F1—前期巷旁支護阻力，N；

k—應力增高系數，取1.7；

q—直接頂巖層荷載，q=γh(γ為直接頂容重，kN/m3，取25；h為直接頂厚度，m，取2.7)；

M—直接頂巖層在煤壁前方彈塑性交界處的殘余彎矩；

a—巷道維護寬度，m，取4.5；

b—巷旁充填體寬度，m，取1.5；

x0—巷旁煤體塑性區寬度，m，取9.0；

σ—巷旁塑性區煤體對頂板的支撐強度，MPa，取2.33.

2.2后期保持基本頂穩定的巷旁支護阻力計算

(2)

式中：

Tb=Lq0(h-ΔSc)/2

Ma、Mb—基本頂巖塊B兩端的殘余彎矩，取0；

Tb—基本頂巖體B受C的側向水平推力；

h—基本頂巖層厚度，m取4.1；

ΔSc—基本頂巖塊C的下沉量；

ΔSb—基本頂巖塊B右端的下沉量，取0；

q0—基本頂及上覆巖層的平均載荷，m，取4.1，埋深取810 m，根據公式q0=γh0算得，γ=25 kN/m3，h0=4.1+810=814.1 m；

L—基本頂巖塊B和巖塊C的長度，即基本頂周期來壓步距，算得16 m；

Nb—巖塊B對巖塊C的側向剪切力。

按以上參數帶入計算式，得到前期巷旁支護切頂阻力F1=7 560 kN/m，后期巷旁支護阻力F2=12 150 kN/m，充填體寬度按1.5 m計算，則前期巷旁支護強度5.1 MPa，后期巷旁支護強度8.1 MPa.

3 充填材料的制備與配比

由文獻[3]可知，矸石膠結巷旁充填體初始強度可達5.6 MPa，后期強度達到14 MPa，能夠滿足支護體對支撐力的要求，同時由于其取材方便，采出的矸石不需要再運輸提升至地面，因此成本最低，所以最終選用矸石膠結充填工藝。

在矸石膠結充填成本中，水泥費用所占比例最大，因此在保證留巷安全的條件下，為節約成本，水泥的用量應該盡可能小，在矸石膠結充填材料中，水泥用量一般為材料總重量的3%～5%，此外，火山灰、粉煤灰、爐渣等也具有一定的膠結性能，可部分替代水泥，減少水泥消耗量，減低成本，這些材料還可以填充大塊骨料之間的間隙，增大充填密實度。

由于綜放面沿空留巷對充填體強度有較高的要求[4]，而充填體強度又與骨料的顆粒度有直接聯系，骨料的顆粒度過大會導致料漿離析分層，從而巷旁充填體的密實度降低，導致巷旁充填效果差，除此之外，最大顆粒度應滿足充填系統輸送的需要，顆粒度過大會導致管道堵塞，據相關煤礦實踐生產經驗，初步確定矸石粗細骨料配比，即-30 mm矸石集料：分級尾砂=50 μm，水泥消耗量190～210 kg/m3，粉煤灰∶水泥=1∶1.

據相關煤礦實踐生產經驗，細骨料與粗骨料的比例要符合要求，即+5 mm粗骨料占比約為75%，-5 mm細骨料占比約為25%.

充填料漿的濃度對充填系統能否正常運行具有重要意義，在矸石膠結充填過程中，應該盡量采用較高濃度料漿充填，這樣既能提高充填體強度，又能減小料漿發生離析分層的可能性，還可以減少水泥用量以達到節約成本的目的。在已采用矸石膠結充填的礦井中，充填料漿的濃度可以達到90%.而充填料漿的濃度又不能過大，其濃度應該保證料漿具有良好的流動性，這樣才能夠在澆注時通過矸石間隙，提高巷旁充填體的密實度，與矸石形成一個致密的充填體。

4 巷旁充填體寬度的確定

巷旁充填采用矸石膠結材料，巷旁充填參數主要考慮充填體寬度，在此結合FLAC3D數值模擬軟件[5]，提出5個充填體寬度對比方案，如下所示：

根據地質條件，將模型劃分為7層，為模型簡化，采用0度建模，brick模型長寬高分別為260 m、300 m、150 m，巷道的寬和高分別為4.5 m、3.5 m，回風平巷的位置為x(0，260)，y(270，274.5)，z(38.5，47.5)，充填體寬度為1.5 m，位于回風平巷采空區側。巖體力學參數表見表2.

表2 巖體力學參數表

具體模擬方案如下：

方案一：充填體寬度1.2 m

方案二：充填體寬度1.4 m

方案三：充填體寬度1.6 m

方案四：充填體寬度1.8 m

方案四：充填體寬度2.0 m

應力峰值見表3.

由表3可以看出，隨充填體寬度的增加，應力峰值不斷變大，變化倍數在不斷減小。

不同充填體寬度條件下2302工作面回風平巷巷道的頂板移近量、底板移近量、頂底板相對位移量見表4.

表3 不同充填體寬度條件下應力峰值表

表4 不同充填體寬度對頂底板移近量的影響情況表

由表4可以看出，充填體寬度從1.2 m變化到1.4 m，頂板移近量、底板移近量、頂底板相對移近量變化較為明顯，充填體寬度從1.4 m增加到1.6 m，頂板移近量、底板移近量、頂底板相對移近量變化也較為明顯，而從1.6 m變化到1.8 m以及從1.8 m增加到2.0 m時，變化不如前兩次明顯，證明充填體寬度的增大對巷道的支護作用不明顯。

不同充填體寬度條件下2302工作面回風平巷巷道的充填體幫移近量、實體煤幫移近量、兩幫相對移近量見表5.

表5 不同充填體寬度對兩幫移近量的影響情況表

由表5的數據可以看出，充填體寬度從1.2 m變化到1.4 m，充填體幫移近量、實體煤幫移近量、兩幫相對移近量變化較為明顯，充填體寬度從1.4 m增加到1.6 m，充填體幫移近量、實體煤幫移近量、兩幫相對移近量變化也較為明顯，而從1.6 m變化到1.8 m以及從1.8 m增加到2.0 m時，變化不如前兩次那么明顯，證明充填體寬度的增大對巷道的支護作用不明顯。

綜上分析，為了使2302工作面巷道位移盡可能小，并且減小材料與資金的消耗，充填體寬度取1.6 m最為合適。

目前，2302工作面已經回采結束，留巷巷道沒有進行二次維護并且滿足工作面回采要求，現場測試工作面回采時巷道兩幫最大移近量為350 mm，巷道頂底板最大移近量為340 mm，沿空留巷取得成功。

5 結 論

現階段煤礦廣泛選用矸石膠結充填作為巷旁充填方式。本文對充填材料的制備與配比進行了分析，數值模擬了不同充填體寬度下留巷圍巖變形量，通過對得出的數據進行對比分析，并綜合考慮支護效果與資金消耗，確定了最佳充填體寬度取1.6 m，且現場使用效果表明，該支護體寬度的選擇能夠有效控制圍巖變化。

[1] 陳明陽.基于薄板理論的條帶充填寬度研究[J].能源技術與管理,2016(4):38-39.

[2] 柳宏儒.條帶充填法煤柱穩定性影響因素數值模擬試驗研究[D].沈陽:東北大學,2008.

[3] 肖永生.粉煤灰充填材料管道輸送特性及其應用研究[D].太原:太原理工大學,2016.

[4] 張東升.繆協興.綜放沿空留巷充填體穩定性控制[J].中國礦業大學學報,2003(3):52-54.

[5] 呂富強.動力擾動對充填體穩定性影響的數值模擬研究[J].西部探礦工程,2016(10):53-55.

ResearchonDesignofFillingBodysbesideRoadwaysinFully-mechanizedCavingRoadway

LIHuaiyuan

The numerical analysis model was built based on the actual situation of 2302 working face. The gangue is chosen as backfill materials with cementation of other materials in a certain proportion. The reasonable supporting body width is 1.6 m. The result indicates that the width for backfill support control the deformation of surrounding rock effectively.

Fully-mechanized caving roadway; Roadside filling; Coal gangue; Supporting resistance; Filling belt width

·技術經驗·

2017-08-03

李懷淵(1974—)，男，山西平遙人，2015年畢業于太原理工大學，工程師，主要從事煤礦安監工作，(E-mail)zfg3259@163.com

TD853.34

B

1672-0652(2017)10-0037-04