沿空留巷巷旁充填体与顶板岩层的相互作用.pdf

第 2 7卷第 4期 2 0 0 8年 4月 煤 炭技 术 Co a l T e c h n o l o a w V 0 1 ． 2 7． No ． 4 Ap r ， 2 0 0 8 沿空留巷巷旁充填体与顶板岩层的相互作用 鲁印英 七台河矿业精煤 集团公 司 桃 山煤矿 ，黑龙江 七 台河 1 5 4 6 0 0 摘要 根 据沿空留巷顶板岩层活 动特点 、 巷旁充填 体的作用 ， 建立巷 旁充填体 与顶 板岩层 的相互 作用模 型 ， 计算 了巷旁充填体后期工作阻力 。可缩量 、 理论值与现场沿空 留巷试验测结果相 同， 说 明了这种力学模型 的正确性 。 关键词 沿 空留巷 ；巷旁充填体 ；后期工作阻力 ；可缩量 ；顶板岩层 中图分类号 T D 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 8 7 2 5 2 0 0 8 0 4 0 0 5 7 0 3 M u t u a l Fun c t i o n Be t we e n Fi l l i n g Bo d y s b e s i d e Ro a d wa y s a n d Ro o f Ro c k Fo r m a t i o n i n Re t a i n i ng Ro a d wa y s a l o n g Go a f L U Yi n y i n g T a o s h a n g C o a l Mi n i n g ，Q i t a i h e Mi n i n g I n d u s t r y C l e a n e d C o a l G r o u p C o mp． ， Q i mi h e 1 5 4 6 0 0， C h i n a Abs t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e a c t i v i t y c ha r a c t e r i s t i c o f t h e r o o f r o c k f o r ma t i o n a n d t h e f u n c t i o n o f t h e fi l l i n g b o d y s b e s i d e r o a d wa y s i n mt a i n g r o a d wa y s a l o n g g o a l ，t h e mu t u a l f u n c t i o n mo d e l b e t we e n fil l i n g b o d y s b e s i d e r o a d wa y s a n d r o o f r o c k f o r ma t i o n i s e s t a b l i s h e d．T h e l a t e r wo r k r e s i s t a n c e o f fil l i n g b o d y s b e s i d e r o a d wa y s i s c a l c u l a t e d．Th e s h r i n k q u a n t i t y，t h e o r y v a l u e a n d t e s t r e s u l t o f r e t a i n i n g r o a d wa y s a l o n g g o a t“a r e t h e s a me ， t h i s s h o ws t h e e x a n t n e s s o f t h e me c h a n i c s mo de 1 ． Ke y wo r d s r e t a i n roa d wa y s a l o n g g o a l ；fil l i n g b o d y s b e s i de roa d w a y s ；l a t e r wo r k r e s i s t a n c e；s h r i n k q u a n t i t y； r o o f r o e k f o r ma t i o n 0 概 况 试验巷道为桃 山煤矿三采 7 5左 四片采煤工作 面 下巷 。该 面 为 炮 采 工 作 面 ， 采 煤 面 倾 角 为 2 0～ 2 1 。 ， 煤 层 厚度 为 0 ． 6～0 ． 8 m， 工 作 面 采 高 0 ． 7 m， 开 采深度为 6 4 0～7 0 0 m。伪顶为 0 ． 2 1 m炭页岩， 直接 顶为 4 m厚 粉 细砂岩 互层 ， 层 理 明显 ， 老顶 为胶 结 致 密坚 硬 的 粗 砂 岩 ， 厚 度 为 1 ． 7 4 m； 煤 层 底 板 为 细 砂 岩。直接顶初次垮 落步距为 2 0～ 2 6 m， 老顶初次来 压步距 为 2 5～3 0 m， 周 期 来 压 步距 为 1 0～1 5 m， 采 场顶板 类型 为 I 型 I I 级 。 试 验巷 道 为 梯形 断 面 ， 设计 规 格 上 宽 下 宽 净高 2 ． 6 m2 ． 6 m2 ． 5 m， 支护 为双排锚杆支 护 ， 排间距 1 m。工作面超前支护 为双排单体液压 支柱 支护 ， 排 间距 1 m， 切顶线 一排 横头 密集 。 工作 面 后 方 进 行 沿 空 留巷 试 验 。巷 内 加 强 支 护 ， 采后补架木棚子 1 m设 l 架。巷旁支护为整体 浇注 高水 速凝 材料 固化充 填带 。 1 巷 旁充填体 与顶板岩层 的相互作用 1 ． 1 沿空 留巷顶 板岩 层活 动的三 个 时期 工 作 面 回采 过程 中 ， 采 空 区 顶板 岩层 活动 的 主 要形式为 自上而下的分层垮落， 表现为顶板的旋转 下沉和平 移下 沉 。根 据 受 一次 采 动 影 响 时 ， 沿 空 留 巷 顶板岩 层运 动规 律 的 不 同 ， 将 顶板 岩 层 活 动分 为 三 个时期 。 1 前期活动。沿空留巷采空 区侧的直接顶 ， 在 自重应力 作用 下 ， 从 下层往 下 主动分 次垮落 ， 出现沿 空 留巷顶 板的“ 一次 破 断 ” ， 破 断 后 的 直接 顶 呈 倒 台 阶悬 臂梁状 态 ， 与 冒落 绀 、 矸 石基 本 上 失 去 联 系 ， 悬 臂梁重 量直 接作用 在充 填体 ， 随充 填体 强度 的提 高 ， 充填体切落采空区侧悬臂的直接顶 。 2 过度期 活 动。工作 面进 入正 常 回采阶 段后 。 当推进距离达到老顶周期来压 步距时 ， 老顶岩梁中 弯矩 达到 极限值 ， 老顶 断裂 。 出现 沿 空巷 顶 板 的 “ 二 次破断 ” 。 形成 老顶岩 梁 。老顶 岩梁 的失稳 变形 过程 称为顶板过渡期活动。由于煤体的刚度大于采空区 冒落碎矸的刚度 ， 出现“ 硬支多载” 效应 ， 随老顶岩梁 的变形 ， 老顶上覆岩层的重量逐渐转移到煤体深部 ， 使煤体深部出现应力集 中， 煤体边缘及采空区处于 卸压状 态 ； 之 后 ， 随 老 顶岩 梁 的 旋 转 ， 老顶 岩梁 在 直 接顶和冒落矸的支撑下， 形成的“ 大结构” 逐渐稳定 。 该 阶段 顶板 活动 以旋转 下沉 为主 ， 变形 速度快 。 变形 量大 。 3 后期活动。随着顶板“ 二次破断” 的发展 。 老 顶下位 岩梁逐 渐形 成稳定 的 “ 大结构 ” 。由于 老顶上 收稿 日期 2 0 0 71 22 2 ； 修订日期 2 0 0 8 0 3 0 2 作者简介 鲁 印英 1 9 7 3 一 ， 男 满族 ， 辽 宁北镇人 ， 工程师 ， 1 9 9 8 年毕 业于辽宁工程技术 大学采矿 工程系 ， 现 在七煤 集团公 司 桃 山煤矿从事技术管理工作。 维普资讯 5 8 煤炭技术 第 2 7卷 为岩梁 层 折 断 ， 变 形 、 失稳 产 生 下沉 ， 造 成 老顶 下 为岩梁和沿空留巷直接顶板平移下沉。该 阶段顶板 以平移下沉为主， 下沉速度较小。 1 ． 2 巷 旁充填体 作 用 老顶“ 大结构” 的存在 ， 保护巷内支架免受上覆 岩层重力的作用。老顶岩梁的状态与工作面采高 、 直接顶厚度和岩性有关 ， 巷内支架的巷旁充填体不 能改变老顶岩梁的稳定状态 ， 即老顶岩梁处与“ 给定 变形 ” 工作状 态 。 顶板前期活动 阶段， 顶板以旋转下沉为主， 来压 强度小 ， 充填体 的作 用力 主 要 是 直接 顶 的重 量 和悬 臂直接顶的作用力。为保持沿空 留巷顶板 的完整 性， 增加直接顶的直稳能力， 要求充填体紧跟工作面 构筑 ， 增阻速度快 ， 切落直接顶及时。顶板过度期活 动阶段 ， 为使老顶岩梁“ 大结构” 尽快形成， 减少老顶 剧烈的时间 ， 要求充填体应具有足够的切顶阻力来 切段 老顶 ， 减少 沿 空 留巷 顶板 的下 沉 量和 巷道 矿 压 显 现剧烈 程度 。通 常认为 巷道顶 板 以煤体 弹塑性 交 界处为旋转轴向采空 区侧倾斜 ， 旋转轴在垂直方 向 上以岩层垮落角向上延伸。由于煤体刚度远大于充 填体的刚度， 所以近似认为老顶旋转岩梁正下方的 直接顶与老顶一 同旋转， 即直接顶的旋转轴在老顶 二次断裂处 的铅直线上。顶板后期活动阶段 ， 充填 体的作用是维持老顶 “ 大结构” 的稳定 ， 受老顶上位 岩层分次垮落、 失稳变形的影响 ， 充填体后期对顶板 作用力， 即充填体后期工作阻力呈现波动性 ， 并逐渐 趋 于稳定 。 1 ． 3 巷旁充填参数 巷旁充填体是由同一规格的编织袋装长方体充 填块组合而成的。每个充填体高度为工作面采高， 长度为工作面循环进度的整数倍。根据试验巷道条 件 ， 选 用 1 ． 2 - m， 1 ． 8 m， 2 ． 1 m三种规 格 的充 填体进行 试验 ， 同时观测充填体受力、 变形 、 以及巷道 围岩变 形 ， 来确定合理的充填体宽度。充填体长度 高度 为 1 ． 4 m0 ． 7 m 。 试验工作面直接顶为中硬岩层， 冒落带高度 H 1 0 0 M／ 4 ． 7 M 1 9 2 ． 21 0 00 ． 7 ／ 4 ． 7 0 ． 7 l 9 2 ． 2 0 ． 9 4～5 ． 3 4 m 1 式中 M工作面采高 ， 0 ． 7 m。 根据试验工作面顶板岩层特征可知， 被 7 5 煤 层分开的上下位砂质泥岩垮落后形成 冒落带 ， 但上 位直接顶可以形成规则垮落带， 岩石膨胀系数小。 巷旁充填体合理的切顶高度 ， 是切断老顶后 ， 垮 落的矸石充满采空区， 使老顶下位岩层在矸石和煤 体支撑下取得运动平衡 ， 沿空 留巷围岩变形趋于缓 和稳定 下来 ， 即 h k 一1 M h h 2 置 式中h i ， 顶板第 层岩层厚度及残余碎涨 系数 ； 巷旁充填体合理切顶高度 ； M 工作面采高。 将试验巷道顶板有关参数代人 2 式 ， 计算巷 旁充 填体切 落老顶岩 层厚 度 0 ． 2 14 ． 71 ． 7 4 1 ． 1 51 丑 1 ． 0 71 2． 0 所 以 ， 1 4 ． 3 2 m， 巷旁充 填体切 断整个 老 顶 岩层 。 由于巷内支架支护阻力远小于巷旁充填体支 护阻力 ， 巷内支护可忽略 ， 建立试验巷道旁充填体与 顶 板相互 作用 的力学模 型 如图 1 所示 。 图 1 充填体 与顶板相互作用力学模型 充填体后期支护阻力 P可由下式表示 JP 。 ∑l ／ 2 r lh 。 ∑ c 。 t a t r 2 h c f 1 i 1 3 式中 m切落直接顶岩层的层数 ； h ， h ， ， h 2 第 ／ 层 以及老顶岩层的厚度 ； ，r 2 第 i 层 岩层 和老顶 岩层 的容重 ； o 巷道宽度 b与充填体宽度 d之和； c 老顶岩梁长度， 其 值为老顶周期来压 步距 。 将试验巷道有关参数代人 3 式 ， 计算充填体后 期 支 护阻力 JP P1 ／ 2 ． 8 1 ． 7 [ 1 ／ 2 2 50 ． 2 1 4 ． 50 ． 2 1 c o t 6 0 。 1 ／ 21 3． 54． 7 4． 54 ． 7c o t 7 5 。 0 ． 2 1 c o t 6 0 o 1 ． 7 4 c o t 6 0 。 2 5 1 61 5 ] 1 3 7 9 k N ／ m 根据 老顶 岩梁稳 定 “ 大结 构 ” 的 空 间形 态 ， 悬 臂 直接老顶与老顶之间的几何关系 ， 可 以求出充填体 压缩量 ．s SM h k 一1 ／ c 2 bd 4 将试验巷道围岩有关参数代人 4 式 ， 计算出充 填体压缩量 S1 ／ 1 2 [ 2 ． 0一 0 ． 2 14 ． 7 1 ． 2 51 ～1 ． 7 4 1 ． 51 1 ． 1 5 1 2 ． 8 1 ． 8 ／ 2 ] 0 ． 2 8 8 n l 2 沿空留巷矿压显现观测结果 2 ． 1 试 验巷 道顶板 岩层 运动 规律 受工作面前方支撑压力 的作用， 沿空 留巷试验 巷道上帮顶板的下沉量大于下帮顶板的下沉量 ， 顶 板向采空区方向旋转 ， 这种旋转变化是从工作 面前 方 2 0 m左 右 超前 支 撑 压力 区 内开 始 表现 出来 。工 作面后方 3 0 m左右， 随着直接顶 的分次垮落 ， 顶板 旋 转 明显 ， 表 现为巷 道 上 下 帮顶 底 板移 近 速 度 不 同 步， 上帮明显大于下帮的巷道顶底板移 近 速度 ；之 维普资讯 第 2 7卷第 4期 2 0 0 8年 4月 煤炭技术 Co a 1 Te c h n o l o g y Vo 1 ． 2 7． No ． 4 Ap r ， 2 0 0 8 工作面回采过程中避开构造的实践 王从 培 ，于进 广 皖北煤 电集团公司 百善煤矿 ，安徽 淮北 2 3 5 1 5 4 摘要 工作面在 回采过程 中经常遇到隐伏的地质构造 ， 给开采造成很大的困难 ， 需要 在回采过程 中根据实际情 况 避开这些构造 。文章阐述 了避开构造区域的几 种方 法。 关键词 工作 面；底鼓 ；断层 ；沿空留巷 中图分类号 T D 8 2 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 8 7 2 5 2 0 0 8 0 4 0 0 5 9 0 2 Pr a c t i c e o f Ke e p i n g a wa y f r o m M i n i n g Ge o l o g i c a l S t r u c t u r e i n M i n i n g Pr o c e s s WANG C o n gp e i 。YU J i ng u a n g B a i s h a n C o a l Mi n e I Wa n b e i C o al a n d E l e c t r i c P o w e r G r o u p C o mp． I Hu a i b e i 2 3 5 1 5 4I C h i n a Abs t r a c t Hi d d e n g e o l o g i c a l s t r u c t r u e i s f r e q u e n t l y e n c o u n t e r e d i n mi n i n g p r o c e s s ， a n d i t c a n c a u s e ma n y t r o u b l e s ，S O d i ff e r e n t wa y s s h o u l d b e a d o p t e d t o k e e p a wa y f r o m t h e s e g e o l o g i c a l s t r u c t ur e s i n mi n i n g p r o c e s s．I n t h i s p a p e r ， s e v e r a l w a y s o f k e e p i n g a wa y fro m g e o l i g i c a l s t r u c t u r e s a r e i l l u s t r a t e d． Ke y wo r d s f a c e；fl o o r h e a v e；f a u h；r e t a i n i n g r o a d wa y s a l o n g g o a f 0 矿井概 况 定生产能力为1 5 0 万t ／ a ， 井田为一封闭性的向斜盆 地 ， 主采煤 层为二 叠 系山西组 六煤 层 ， 井 田内煤层 赋 百善煤矿采用立井单水平上下山开拓 ， 矿井核 存稳定 ， 厚度变化在 2 ． 0～ 3 ． 5 m之间， 平均煤厚约 后 ， 随巷 道远 离工 作面 ， 上下 帮顶底 板移 动速 度趋 于 一 致 ， 顶旋 转 减缓 ， 并且 趋于平 移下 沉 。根据试 验结 果表 1 可知 ， 试验 巷 道在 工 作 面 后 方 7 5 m左 右 ， 进 入采 动影 响稳 定 区 ， 巷 道 顶 板 向采空 区方 向旋 转 的 角度 达 到 2 ． 7 ～4 ． 3 。 ， 巷道上 下 帮顶底 板 移 近量 相差 1 5 0 mm左右 表 l 试 验 巷 道 围岩 变 形 实 测 结 果 2 ． 2巷 旁 充填 体 受力 与变形 现场 实测 巷旁充 填 体上 载荷 随远离 工作 面呈单 调 递增 ， 初 期增 阻 速 度 快 ， 后 期 增 阻 速 度 慢 ， 并 逐 渐 趋 于 恒定 。宽 度 1 ． 2 m， 1 ． 8 m， 2 ． 1 m的单 个 充 填体 上 的最 终载 荷 分别 为 1 5 0 3 k N， 1 9 5 2 k N， 1 5 1 8 k N ， 后期支 护阻 力依 次 为 1 0 7 4 k N， 1 3 9 5 k N， 1 0 8 5 k N ， 相 应 充 填 体 最 大 应 力 为 0 ． 5 4 MP a ， 0 ． 8 2 M P a ， 0 ． 7 2 MP a ， 充填体最终压缩量为 5 0 ～1 0 0 m m。 由于巷 旁充 填体最 大应 力 0 ． 8 2 M P a 为充 填 体 材 料强 度 4 ． 5 MP a 的 1 8 ％ ， 且充 填体 达到最 大载 荷 前 ， 充填 体上 载荷 随充 填体 压缩量 的增 加而增 大 ， 即 充填体应 力始终 随应 变 的增 大而 增 加 ， 所 以一 次 采 动影响后 ， 充填体 高水 速凝 材料处于全应力一应 变曲线的峰前区， 即充填体处于应力 峰值位置的前 方 ； 当应力超过高水速凝材料的强度处于峰后区 ， 材 料 进入 塑性 软化状 态 ， 直 至材 料破坏 时 ， 材 料还 允许 应 变大 于 4 ％， 即材 料允 许 压 缩 量 大 于 7 0 F f l I n ， 超过 沿空 留巷二次采动时 ， 工作面前方巷旁充填体压缩 量 5 0 F f l I n 的要 求 ， 所 以 7 5左 四片平 巷沿 空 留巷 能 够 受二 次采 动影 响 ， 沿空 试验 取得 了成 功 。 3 结论 1 根据巷旁充填体作用特点 ， 建立了试验巷道 充填体 与顶板 岩层 的相 互 作用 力 学 模 型 ， 计 算 了充 填体后期 支护工 作 阻力 和 压缩 量 ， 理论 值 与 现 场 实 测值相 近 ， 满 足工 程要求 ， 说 明 了这 种力 学模 型 的正 确 性 。 2 应 用高水 速凝 材料 的全应 力一 应 变曲 线 ， 解 释了巷旁充填体经受一次采动影响后处于应力峰前 区 ， 具备 一定 的允 许 可缩 量 ， 能够 满 足二次 采 动的要 求 ， 所 以沿 空 留巷 实验 取得 成功 。 参 考文献 [ 1 ] 徐永圻 ． 煤 矿开采学[ M] ． 徐州 中国矿业 大学 出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 2 ] 煤炭工业邯郸设计研究院 ． 采矿工程 设计手册 [ M] ． 北京 煤炭 工 、 【 出 版社 ． 2 0 0 5 ． 收稿 日期 2 0 0 7 1 2 1 7 ； 修订 日期 2 0 0 8 0 3 0 2 作者简介 王从培 1 9 7 1 一 ， 男 ， 安徽凤 阳人 ， 工 程师 ， 1 9 9 4年毕业于原阜新矿 业学院采矿工 程专业 ， 现 任皖北煤 电集 团公司百 善煤矿 副总工程 师。 维普资讯