局部充填過空巷技術(shù)充填體參數(shù)研究

蘇 冉

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

1 工程概況

圖1 10-102綜采工作面與三條空巷位置示意圖

木瓜煤礦為了減少南區(qū)左翼下組煤采區(qū)雙翼布置工作面時(shí)搬家到面的工作量，縮短準(zhǔn)備作業(yè)時(shí)間，由雙翼布置改為單翼布置，以此提升該礦煤炭開采效率，改變工作面的布置方式后導(dǎo)致10-102綜采工作面在回采過程中會穿過軌道巷、尾巷下料巷、皮帶巷三條巷道，該工作面開采近水平厚煤層，有6m厚的老頂，為深灰色的石灰?guī)r，6.8m厚的直接底，為灰黑色的泥巖。工作面回采至距空巷較近距離時(shí)，超前支承壓力作用在空巷周圍可導(dǎo)致空巷內(nèi)片幫甚至頂板垮落，存在較大安全隱患，擬采取充填措施避免回采過程中空巷發(fā)生變形垮塌的現(xiàn)象。

2 空巷內(nèi)局部充填力學(xué)分析及參數(shù)設(shè)計(jì)

為了在保證安全的前提下，擬采取空巷內(nèi)局部充填的技術(shù)[1-2]減少10-102綜采工作面過空巷產(chǎn)生的費(fèi)用。

2.1 空巷充填力學(xué)分析

建立巷內(nèi)局部充填頂板力學(xué)模型時(shí)，可將空巷圍巖視作一個(gè)彈性損傷體[1-2]。空巷內(nèi)充填有具有一定強(qiáng)度的膏體材料時(shí)，會提升巷道圍巖的極限承載能力，并限制圍巖在應(yīng)力作用下的形變。空巷的圍巖會在覆巖載荷q的加載作用下，逐步的損傷破壞，當(dāng)加載所產(chǎn)生的位移超過空巷圍巖的極限位移時(shí)，圍巖就會發(fā)生破壞，其力學(xué)模型如圖2所示。空巷直接頂可以簡化為厚度為h的兩端彈性嵌簡支承梁，F(xiàn)y表示該梁所受垂直力，充填體的寬高分別為a、b，力學(xué)模型中不考慮充填的變形，故將充填體的中心視作簡支端。

圖2 空巷充填頂板力學(xué)模型

2.2 局部充填充填體間距分析

空巷內(nèi)充填體對頂板產(chǎn)生局部載荷q1的反作用力，平衡方程式1是對圖2進(jìn)行整體分析所得：

圖3 任意i-i截面彈性嵌簡支承梁的受力分析

彈性嵌簡支承梁任意i-i截面的受力分析如圖3所示，F(xiàn)i表示力，Mi為彎矩，彎矩和力的平衡方程如下式所示：

通過式2可進(jìn)一步得到該梁i-i截面上彎矩的計(jì)算公式：

假設(shè)該簡支撐梁僅發(fā)生彎曲變形，該梁上任意i-i截面所受正應(yīng)力由式4可得：

式中：σd表示該梁所受正應(yīng)力；Mi是由式3計(jì)算得到該梁i-i截面上的彎矩；y表示該兩端彈性嵌簡支承梁上任一點(diǎn)與中性軸之間的距離；I表示對中性軸的慣性矩。

將式3代入式4即可推導(dǎo)出σd的計(jì)算公式：

空巷頂板巖層中，下方巖層受拉，上方巖層受壓，二者界限為頂板巖層中的中性軸，當(dāng)空巷充填體上方頂板產(chǎn)生拉破壞的深度恰好等于空巷頂板最大錨固范圍時(shí)，空巷頂板便不會發(fā)生垮塌，故通過式6可以計(jì)算出空巷局部充填時(shí)的最大間距。

式中：h0表示工作面所過空巷支護(hù)體系中頂板錨固區(qū)的深度。要得到空巷局部充填時(shí)的最大間距，聯(lián)立式5和式6即可式7：

由式7計(jì)算得到a=-8m和12.1m，由于充填體的寬度為正數(shù)，故得到合理的空巷局部充填時(shí)的最大間距為12.1m。

因此，在木瓜煤礦10-102綜采工作面采用局部充填技術(shù)過空巷時(shí)，使充填體間距不大于12.1m可保證空巷頂板產(chǎn)生拉破壞的深度小于其頂板中最大錨固范圍，兩塊充填體之間最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)域?yàn)槌涮铙w之間頂板中部，并且此時(shí)兩塊充填體之間最大拉應(yīng)力小于煤層直接頂?shù)淖畲罂估瓘?qiáng)度，故巷道頂板不會發(fā)生垮落破斷。

3 空巷內(nèi)局部充填體參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 模型建立

圖4 三種充填體長度的局部充填方案

理論計(jì)算所得能保證空巷穩(wěn)定的充填體最大間距為12.1m，但是考慮到實(shí)際工程應(yīng)用中需留有一定的安全系數(shù)[3]，故最終確定實(shí)際工程應(yīng)用中空巷內(nèi)充填體的最大間距應(yīng)為8m。充填體自身的長度對其強(qiáng)度由一定影響，現(xiàn)確定充填體強(qiáng)度為3MPa，設(shè)計(jì)充填體長度為6m、8m、10m，間距均為8m的三種方案，如圖4所示。基于10-102工作面具體地質(zhì)條件，運(yùn)用FLAC3D軟件建立四周限制位移、設(shè)置巷道圍巖承數(shù)值為1的側(cè)壓系數(shù)和11MPa的覆巖載荷，長310m、高50m、寬220m，共1344500個(gè)網(wǎng)格的數(shù)值模型[4]來研究不同充填體長度對空巷的穩(wěn)定性的影響。

3.2 分析不同充填體長度對過空巷時(shí)頂板下沉量的影響

空巷的存在會導(dǎo)致10-102綜采工作面回采至距離空巷較近距離時(shí)，由于支承壓力的異常，空巷周圍塑性區(qū)擴(kuò)展，可能導(dǎo)致空巷支護(hù)體系失效，從而使較大的壓力直接作用于工作面頂板，因此可以通過分析過空巷時(shí)不同充填體長度下工作面頂板下沉情況得到合理的充填體長度，圖5所示為距空巷10m時(shí)不同充填體長度下工作面頂板下沉量模擬所得曲線。

圖5 距空巷10m時(shí)不同充填體長度下工作面頂板下沉量

觀察圖5可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)空巷內(nèi)充填體間距均為8m，10-102工作面回采至距空巷10m的條件下：充填體長度為6m時(shí)，工作面頂板下沉速率較快，頂板下沉量為320mm；充填體長度為8m時(shí)，工作面頂板下沉速率明顯低于6m充填體下頂板的下沉速率，并且頂板下沉量僅為142mm，較6m充填體下降55.6%；充填體長度為10m時(shí)，工作面頂板下沉速率較8m充填體下頂板的下沉速率并無較大變化，并且頂板下沉量為130mm。通過分析發(fā)現(xiàn)8m長的充填體可以滿足工作面回采過程中頂板下沉量控制在允許范圍內(nèi)，且10m長充填體并沒有產(chǎn)生更大的支撐效果，故最終確定空巷內(nèi)充填體長度為8m、間距為8m時(shí)，可以滿足工作面過空巷的要求。

3.3 應(yīng)用效果分析

現(xiàn)場在空巷內(nèi)應(yīng)用充填體長度為8m、間距為8m的充填參數(shù)進(jìn)行施工后，10-102綜采工作面面正常推進(jìn)，在工作面液壓支架中上、中、下3個(gè)區(qū)域各安裝3個(gè)YHY-604型液壓支架測力儀分析10-102工作面距空巷一定距離時(shí)、通過空巷時(shí)及通過空巷后液壓支架的受力情況，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 10-102工作面過空巷時(shí)液壓支架受力的變化情況

通過表1可以看出:10-102綜采工作面從距空巷40m至距空巷10m過程中，整個(gè)工作面支架受力均勻，隨著工作面逐漸推至空巷，液壓支架的受力逐漸升高，但均未達(dá)到安全閥開啟的限度。工作面回采至空巷時(shí)，平均支架壓力為32.6MPa，較距空巷40m時(shí)的平均支架壓力上升9.7%，且過空巷過程中并沒有安全閥開啟，工作面推過空巷后，支架的平均壓力下降至與過空巷前基本相同，工作面順利安全的通過空巷。

4 結(jié)論

本文對空巷充填時(shí)頂板力學(xué)模型進(jìn)行分析，通過計(jì)算確定了局部充填時(shí)8m的充填體間距，進(jìn)一步運(yùn)用FLAC3D軟件建立工作面過局部充填巷道模型來研究不同充填體長度對空巷的穩(wěn)定性的影響，得出合理的充填體長度應(yīng)為8m。現(xiàn)場空巷內(nèi)按充填體長度8m、間距8m的參數(shù)進(jìn)行施工后分析工作面過空巷時(shí)液壓支架的受力情況，可發(fā)現(xiàn)工作面推至空巷時(shí)平均支架壓力較距空巷40m時(shí)上升9.7%，且過空巷過程中并沒有安全閥開啟，該施工參數(shù)可保證工作面順利安全的通過空巷。