固体充填采煤沿空留巷顶板下沉力学机理研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 固体充填采煤沿空留巷顶板下沉力学机理研究 权 凯刘治成徐向阳刘 洋 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏 徐州 摘 要基于固体充填采煤上覆岩层移动特征为分析巷旁支护体和实体煤帮的稳定性以唐口煤矿 充填采煤工作面沿空留巷为算例采用 弹性地基梁理论建立了固体充填采煤沿空留巷 直接顶力学模型推导出巷旁支护体宽度和实体煤帮的弹塑性区长度计算式 研究结果表明求算得 出影响唐口矿巷道直接顶下沉的 个主要参数值即当巷旁支护体的弹性地基系数为 / 其 宽度为 采空区充填体弹性地基系数为 / 时可较好的控制巷道直接顶下沉同时结合唐 口煤矿 轨道巷顶底板移近量具体监测结果顶底板最大移近量仅为 沿空巷道围岩控制 效果良好 关键词固体充填弹性地基梁弹性地基系数巷旁支护体宽度 中图分类号. 文献标志码 文章编号 . . . .. / / . . . . 收稿日期责任编辑曾康生 / 基金项目江苏特聘教授资助项目苏教师 号江苏省第五期“ 工程”培养资金资助项目 作者简介权 凯男安徽宿州人 硕士研究生 . 引用格式权 凯刘治成徐向阳等 固体充填采煤沿空留巷顶板下沉力学机理研究 煤炭科学技术 引 言 固体充填采煤沿空留巷技术结合了充填与沿空 留巷两种技术的优势解放“三下”压煤的同时减少 了巷道掘进量提高了煤炭资源采出率体现了绿色 开采理念 长期以来学者对沿空留巷技术做了大量的研 究张吉雄等建立了侧向压力与巷旁支护体稳定 性力学模型推导出了巷旁支护体宽度计算公式李 胜等建立了顶板下沉力学模型并推导出了顶板 下沉量的理论公式李迎富等通过建立沿空留巷 关键块结构力学模型推导出了巷旁支护阻力的计 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 算公式李舒霞等通过对沿空留巷顶板进行力学 分析计算出顶板下沉量及墙体支护强度谭云亮 等基于坚硬顶板岩梁剧烈运动特征提出了沿空 巷旁支护适应性原理并构建了“柔强”组合巷旁 支护力学结构模型 传统综采通过构筑巷旁支护体 控制沿空巷道顶板下沉力学研究对象主要集中于 巷旁支护体 固体充填采煤通过充填采空区控 制采空区上覆岩层垮落下沉固体充填体与巷旁支 护体共同作用控制沿空巷道顶板下沉 国内外学者 对沿空留巷顶板下沉的力学分析主要针对于综放开 采而对固体充填开采研究的较少开展固体充填采 煤沿空留巷顶板下沉力学机理分析拓展了沿空留 巷的研究范围 笔者基于固体充填采煤沿空留巷围岩变形特征 分别对巷旁支护体和实体煤帮进行稳定性分析并建 立固体充填采煤沿空留巷弹性地基梁的直接顶受力 分析模型从巷旁支护体的弹性地基系数及宽度、采 空区充填体弹性地基系数 个主要影响因素分析沿 空留巷顶板下沉量获得各指标的最优参数值为进 一步研究固体充填采煤沿空留巷理论提供借鉴 充填采煤沿空留巷围岩变形特征 传统综采垮落法沿空留巷直接顶发生断 裂破碎冒落矸石充填采空区基本顶破断、回转、下 沉形成关键块 、、三者铰接连接组成关键块 结构侧向实体煤、直接顶、巷旁支护体、采空区冒落 矸石共同支撑关键块 、、 所组成的关键块结构 如图 所示 图 沿空留巷围岩变形特征 . 综合机械化固体充填开采工作面推进后采空 区实现了全断面的固体充填顶板压力主要由充 填体承载由此限制了直接顶的断裂破碎间接的使 基本顶仅发生弯曲下沉而无破断 基本顶在缓慢下 沉直至稳定的过程中巷旁支护体不仅受到顶板的 竖向压力还会受到充填体产生的侧向压力 也即 侧向实体煤、直接顶、巷旁支护体、采空区充填体共 同支撑基本顶及上覆岩层如图 所示 巷旁支护体与实体煤帮稳定性分析 巷旁支护体与实体煤帮是沿空留巷的重要组成 部分实体煤帮由于经受巷道掘进和强烈采动影响 其变形破坏程度明显高于巷旁支护体 在前人研究 的基础上分析巷旁支护体最小宽度并创新性的对 实体煤帮弹塑性区范围进行了理论分析 . 巷旁支护体最小宽度分析 巷旁支护体竖直方向受到上覆岩层的均布载荷 水平方向受到固体密实充填体的侧向压力 和 顶底板的静摩擦力 和 为保证在整个工作面推 进过程中巷旁支护体在水平方向上不发生侧向移 动侧向压力 应为最大值而对于固体密实充填 采煤工作面的推进相当于切眼的前移 由此当 夯实机构的夯实力与采空区充填体共同作用于巷旁 支护体时产生的侧向压力值最大具体的受力分析 如图 所示 巷道高度支护体宽 图 巷旁支护体受力分析 . 采空区进行固体密实充填时夯实机构需反复 夯实堆积的充填物料 夯实过程中因夯实力对巷 旁支护体产生侧向压力 而侧向压力对 以内 的巷旁支护体影响较大对该范围以外的影响可 以忽略如图 所示 图 巷旁支护体侧向受力分析 . 则侧向压力 计算为 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 权 凯等固体充填采煤沿空留巷顶板下沉力学机理研究 年第 期 根据布森涅斯克解答可知侧向水平应力 为 式中 、、 为任一点 的坐 标 为泊松比取 . 则夯实力 为 式中 为夯实油缸液压力 为油缸直径 为油 缸数量取 为夯实机构内部摩擦因数参照类 似煤矿计算平均值取 . 在均布载荷 的作用下因充填体向两侧移 动进而对巷旁支护体产生侧向压力 图 将 固体充填材料视为无黏性的粗细混合松散颗粒堆积 体而巷旁支护体在侧压作用下不发生位移和大的 变形根据库仑静止土压力计算方法侧向压力 可表示为 式中为采空区充填体的容重为侧压系数 由广义胡克定理可知固体充填材料在上方载 荷作用下侧压系数 与泊松比 满足以下关系为 由力学平衡条件可得巷旁支护体的最小宽度为 式中 为静摩擦因数为巷旁支护体的最小宽 度为巷旁支护体的容重 . 实体煤帮弹塑性区分析 在超前支承压力作用下从沿空留巷实体煤帮 边缘到深部会出现塑性区、弹性区及原岩应力区 如图 所示 图 实体煤帮的应力分布 . 根据工作面倾斜方向极限平衡区内支承压力的 计算公式塑性区内的支承压力为 式中 为煤体自承力 为煤体内摩擦角 为煤层 间的摩擦因数 为塑性区内任一点到煤帮的距离 当 等于应力峰值 时塑性区范围 为 式中 为应力集中系数为上覆岩层平均容 重取 / 为煤层埋深为充填等价 采高 而对于弹性区如图 所示在实体煤弹性区 记作上标 内取一微元体根据平衡关系可得 图 实体煤帮弹性区应力状态分析 . 弹性区内水平应力与垂直应力的关系可表示 为 代入式可得弹性区内垂直支承应 力为 当 时 代入式可得弹 性区的范围 的绝对值为 充填采煤沿空留巷直接顶力学模型 . 充填致密状态直接顶力学模型 采空区充填致密状态下借鉴充填采煤协同控 顶的研究方法以沿空巷道与煤帮边缘交点为原 点沿工作面倾向方向为 轴巷道高度方向为 轴建立直角坐标系建立的弹性地基梁直接顶受力 分析模型如图 所示 考虑到对称性取采空区一 半长度 / 为留巷宽度为原岩应力、、 分别为实体煤、巷旁支护体、充填体的弹性地基系 数为直接顶各段的挠度、、、、 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 充填致密状态直接顶力学模型 . . 直接顶弯曲变形分析 根据 假设通过各段直接顶梁的微分方程 及所对应的载荷计算得到各段直接顶梁的挠度为 / / / / 式中特征系数 为梁弹性模量 为梁惯性矩 根据顶梁各段之间连续性条件及边界条件利 用 可求出各系数 进而求出 顶梁各段的挠度及应力大小 工程实践 . 工程概况 工业性试验地点为唐口煤矿 充填采煤工 作面该工作面位于京杭大运河东北约 的下 方从李庙村下方通过 工作面净宽 推 进长度约 煤层平均厚度 . 倾角平均 工作面系统布置如图 所示 图 工作面生产系统布置 . . . 算例分析 在某一特定地质条件下实体煤柱的弹性地基 系数留巷宽度原巷宽度和高度以及直接顶梁的 厚度、抗弯刚度、弹性模量、覆岩均布载荷都是不变 的 结合上述分析巷旁支护体的弹性地基系数和 宽度以及采空区充填体的弹性地基系数是影响巷道 直接顶梁变形的 个最重要因素 弹性地基系数与 构筑物厚度、压缩性、基底压力的大小及分布、邻近 荷载等许多复杂的因素有关 构筑物上任一点所受 的压力强度与该点的变形量成正比比例系数即构 筑物弹性地基系数 以山东唐口煤矿 充填采煤工作面沿空留 巷为例具体的工程参数见表 表 中采空区上 覆岩层均布载荷 取直接顶到主关键层的岩层高 度 . 岩层平均容重取 . / 巷旁支护 体采用矸石袋垒砌其容重与采空区矸石充填体 容重相同根据等价采高原理取. 将 相关参数代入到上述公式可得巷旁支护体的最 小宽度为 . 实体煤帮的塑性区 . 弹性区 . 直接顶板破断的临界条 件为 表 具体工程参数 参数/ / / / / / / 数值..... 参数/ / / / / / / / 数值.... . 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 权 凯等固体充填采煤沿空留巷顶板下沉力学机理研究 年第 期 式中 为顶板破断的极限弯矩 为直接顶 梁的单位宽度取 为直接顶厚度为 顶板抗拉强度 为顶板弹性模量 将表 中相关数据代入式可求得顶板破 断的极限弯矩为 . 在给定工程参 数的情况下迭代 值得采空区充填体临界弹性 地基系数 . / 时直接顶不发生破断 取采空区充填体弹性地基系数为 / 计算巷 旁支护体的最小宽度为. 考虑富余系数则巷 旁支护体的宽度为 在此基础上控制采空区 充填体弹性地基系数、巷旁支护体弹性地基系数及 宽度的定值分别为 / 、 / 、 采用 单因素变量法分析不同因素对沿空巷道顶板下沉 的影响规律如图 所示 图 不同因素对沿空巷道顶板下沉的影响规律 . 由图 分析可知沿空巷道顶板最大下沉值随 巷旁支护体弹性地基系数的增大而减小减小的幅 度变小随巷旁支护体宽度的增大而增大增大幅度 逐渐变大主要是因为巷旁支护体弹性地基系数明 显小于采空区充填体弹性地基系数巷旁支护体宽 度的增加相当于原对应采空区充填体弹性地基系 数的减小随采空区充填体弹性地基系数的增大而 减小减小的幅度不明显当采空区充填体的弹性地 基系数达到直接顶不发生破断的值时再增加充填 体的弹性地基系数值对沿空巷道顶板的下沉值影响 不大 根据文献充填体弹性地基系数与充实 率的转换关系当充填体弹性地基系数为 / 时充实率为 . 综合上述分析在其他工程参数不变的情况下 选择巷旁支护体的弹性地基系数为 / 巷旁 支护体的宽度为 采空区充填体弹性地基系数 为 / 时可有效控制沿空巷道顶板的弯曲下 沉 工程实际中可通过改变巷旁支护体材料及巷 旁支护体结构控制巷旁支护体的弹性地基系数通 过调节充填物料的粒径配比、岩性或添加胶结料等 方法控制充填物料的弹性地基系数 . 实测结果分析 在工作面推进 的过程中对 轨道巷 顶底板移近量进行监测监测的结果如图 所示 顶底板最大位移为 由算例分析得出在 巷道围岩变形控制效果最好时顶板下沉值为 图 沿空留巷顶底板动态移近量 . 理论值与实测值相近 在靠近工作面 时两帮及顶底板位移变化速度较大 以后两 帮及顶底板位移趋于稳定 说明沿空留巷围岩变形 在实体煤、巷内支护体、巷旁支护体和采空区充填体 的共同作用下得到了控制 结 论 分别对巷旁支护体和实体煤帮的稳定性进 行了分析得出了巷旁支护体的最小宽度求解公式 及实体煤帮弹性区和塑性区的表达式 建立了固体充填采煤沿空留巷直接顶受力 分析模型通过具体的算例分析得出当巷旁支护体 的弹性地基系数为 / 宽度为 采空区 充填体弹性地基系数为 / 时巷道围岩变形 控制效果最好 结合具体采矿地质条件充填采煤沿空留巷 顶板下沉实测值为 与理论计算值非常接 近说明实际应用效果良好 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 参考文献 张吉雄周跃进黄艳利.综合机械化固体充填采煤体化技术 .煤炭科学技术 . . . . 巨 峰陈志维张 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