综放沿空留巷充填体稳定性控制.pdf

第 3 2卷 第 3 期 2 0 0 3 年 5 月 中国矿业大学学报 J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g 8 L Te c h n o l o g y V0 1 ． 3 2 No ． 3 M ay 20 03 文章编号 1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 3 0 3 0 2 3 2 0 4 综放沿空留巷充填体稳定性控制 张东升 ， 缪协兴2 ， 冯光明 ， 宋召谦。 1 ．中国矿业大学 能源科学与工程学 院， 江苏 徐州 ； 2 ．中国矿业大学 理学 院， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 3 ．山东泰山能源股份有限责任公司 翟镇煤矿， 山东 新泰2 7 1 2 0 4 摘要 基于综放沿空留巷的矿压模型， 计算出充填体稳定所需的强度和能适应的变形量， 并以此 选 出充填材料及其水灰比． 为提 高充填体的整体支护强度和抗变形能力， 重点阐述 了空间锚栓加 固网技术及其对 充填体稳定性 的控制效果， 为综放 大断面沿空留巷技术的成功试验奠定 了坚实 基础． 关键词 沿空留巷矿压模型 ；变形机理 ；充填体稳定性控制；空间锚栓加 固网 中图分类号 T Q 5 2 9 文献标识码 A 利 用 高 水 充 填 材 料 水 灰 比大 于 或 等 于 1 。 8 51 ， 净浆时水体积在 8 5 ％以上 在巷旁实现 机械化构筑护巷充填带的技术 ， 代表了目前沿空留 巷技术的世界水平． 国外 高水巷旁充填技术是 2 0 世纪 7 0年代末首先在英 国发展起来的， 迄今仍居 领先地位[ 1 ] ．我国经过近 2 0 a的研究， 充填材料与 充填设备 已实现了国产化 ， 并已基本掌握了薄煤层 及 中厚煤层工作面沿空留巷 的矿压显现规律及充 填体的作用机理[ 2 I 引 ．但是 ， 对于综采放 顶煤工作 面而言 ， 利用高水材料进行巷内充填以实现沿空留 巷， 这在 国内外还是空 白．理论与实践 表明， 充填 体合理强度的确定、 充填材料水灰比的选择及充填 体整体稳定性的控制， 都是综放大断面沿空留巷技 术开发成功的关键 因素． 本文以潞安矿业集团公司 常村煤矿 S 一 综放工作面的具体条件为基础， 重点 介绍充填体的抗变形措施及充填体稳定性的控制 效果． 1 充填体强度 根据综放沿空留巷顶板活动特征与围岩变形 规律的物理模拟与数值计算 ] ， 综放沿空留巷的 矿压模型见图 1 a ． 确定矿压模型的结构参数 见图 l b 是进行充填体强度与变形分析 的重要前 提之 一 ．结构参数 中煤层、 直接顶、 老顶的分层厚度可 由 煤层赋存条件得到， 而巷道及充填体几何参数 口 ， b ， a 可 由巷道支护设计而定． 关键块体的超前断 裂位置 和断裂块长 可通过物理模拟与数值 计算获得． 设充填体的弹性模量为 ， 纵 向应变为 ， 直 接顶 包括顶煤 的弹性模量为 ， 纵 向应变为 ， 充填体与直接顶中的垂直应力为 盯 ， 则 e 6 一 素， 1 一 ． 2 由图 1 b中的变形协调关系可得 A h e b b 一 △ 6 ， 3 式中 b为充填体高度； h为底板到老顶 的距离 ； 为割煤高度． 而 A h和 △ 6为 A h一 一h 1 1 a0 ． 5 a 1 ／ l ， 4 △6一 一b ， 5 式 中 h 为老顶 回转后的触矸高度 ， 口为巷道宽度 ； a 为充填体的宽度 ， h 。 一五 一 ， 其 中 k为碎胀岩 石 煤 的压实系数． 由式 1 ～ 5 联立可得 一旦鱼 二 2 垒 墨 垒 2 二垒 丝2 一 6 一 ． 6 对 于 常村 煤 矿S 。 一 综 放 工 作 面 ， 可 取 h 8 ． 71 IT I ， 一 2．9 I T I， k 1．2 5， 2 0．0I l l， 1一 收稿 日期l 2 0 0 2 0 7 0 5 基金项 目。国家杰出青年科学基金 5 0 2 2 5 4 1 4 ； 博士点基金 2 0 0 1 0 2 9 0 0 0 3 作者简介。 张东升 1 9 6 7 一 ， 男， 江苏省如皋市人， 中国矿业大学副教授， 工学博士， 从事采动岩体控制及矿业系统工程研宄 维普资讯 第 3期 张东升等综放沿空留巷充填体稳定性控制 2 3 3 a b 图 1 综放沿空 留巷 的矿压模 型 F i g ． 1 Ro c k p r e s s u r e mo d e l o f g o b s i d e e n t r y r e t a i n i n g i n{ u l l y me c h a n i z e d c o a l { a c e wi t h t o p c o a l c a v i n g 4 ． 0 m ， 口 4 ． 5 m ， al 一 2． 5 m ， b 2 ． 6 5 m ， △6 0． 2 5 m， E d 一1 5 0 MP a ， E 6 4 0 MP a ． 将 上述数值代人式 6 可得 一 4． 3 M Pa。 则由式 1 可得 0 ．1 0 8 ． 充填侧巷道顶板下沉量 Ay 一 △6 e b b一 0． 5 4 m ． 可见 ， 充填体 的强度不能小于 4 ． 3 MP a ， 纵向 应变不能超过 0 ． 1 0 8 ， 充填侧巷道顶板下沉量应控 制在 0 ． 5 4 m 以内． 2 高水材料特性 充填体强度是影响沿空 留巷成败的主要因素 之一． 及时提供足够的支护强度能积极、 有效地减 小顶板下沉量与作用在巷内支架上的载荷． 充填材料 的选取是决定充填体强度的关键性 因素． 根据沿空 留巷矿压显现规律 ， 要求充填材料 应具备下列特性 支护强度高， 速凝且增阻速度快 ， 有足够的可缩量 ， 较高的残余强度及密闭性． 根据以上对充填材料 的要求 ， 由中国矿业大学 研制、 生产 的 Z KD型高水速凝充填材料是理想 的 充填材料[ 7 ] ． S 一 。 工作面采高大 ， 充填 体上方为顶 煤 ， 对充填体及 时密实接顶要求高 ， 而用模板进行 充填时其接顶效果较差， 因此选用袋装净浆材料进 行充填． 表 l为 Z KD型高水充填材料不 同水灰 比 时的性能指标． 表 1 Z K D高水速凝材料性能 T a b l e 1 I n d i c e s o f Z K D h i g h w a t e r s o l i d i f y i n g ma t e r i a l 注。 表中数据为一级材料实验室测得， 实际应用中材料强度等 性能因材料混合不可能充分均匀要降低近一个档次． 高水 速凝材料抗压强度与使用水灰 比大 小成 反比关系， 水灰 比越小 ， 单位体积 充填体需要使用 的高水速凝材料越多， 用水量越少 ， 充填凝固体的 强度就越高， 反之亦然． 可见 ， 调节水灰比可满足对 充填体不 同强度的要求． 根据前述对充填体的强度分析， 为保证高水材 料充填体稳定的强度可达 4 ～5 MP a ， 选取高水速 凝材料的水灰比为 2 ． 0 1 ． 从综放沿空留巷 的矿压结构模型可以看到 ， 充 填体主要承受关键块转动引起的给定变形 ， 除需要 有一定的强度外 ， 更需要有足够的抗变形能力． 高水材料的变形表现出显著的塑性特征 s - ， 即 当载荷达到峰值强度后， 高水材料固化体并不立即 完全破坏 ， 丧失承载能力 ， 而是随着应 变的进一步 加大， 承载能力缓慢 下降， 其下降幅度远小于普通 混凝土和岩石材料 ， 具有较高的残余强度． 尤其是 在三轴压缩条件下， 围压对残余强度的提高更加明 显， 当围压很低 0 ． 1 5 MP a ， 轴 向应变 达 2 0 时 ， 残余强度仍为峰值强度的 7 3 ． 2 ％～7 5 ． 3 ， 这种 特性对充填体适应老顶结构的活动非常有利． 综上所述 ， 高水速凝材料从抗压强度上可以实 现较大范围的调节 ， 在变形性 能上呈现塑性特征， 可避免充填体突然破坏， 因此 ， 用其作为充填材料 在力学性能要求上是完全可行的． 充填体的空间锚栓加固网 尽管高水材料有 良好 的抗变形能力 实验室标 准试 验条件 下， 一般为 l 0 ～l 5 ， 基 本上能适 应 s 一 综放面老顶的给定变形 ， 但为了确保现场工 业性试验时充填体的整体稳定性 ， 除选择合理的充 填材料及其配比外 ， 主要采用空间锚栓加固网加固 充填体[ g ] ， 以加大充填体 的围压 ， 提高充填体的支 护强度和抗变形能力 ， 增强其整体支护性能． 充填体空间锚栓加固网的具体结构如图 2 所 示． 巷旁充填时在两个充填袋之间上下布置 3 个锚 维普资讯 中国矿业 大学学报 第 3 2卷 栓， 最上面一个锚 栓距 顶板 6 0 0 mm， 最下面 的锚 栓距底板 7 0 0 mm， 3个锚栓间距为 1 m． 充填袋两 侧用梯子梁连接 ， 必要时还 可以挂金属网． 锚栓 由 善 量 一 量 l 5 0 0 ～ 1 5 0 0 梯子粱充填袋间缝充填体 ／ ＼ 0 _／ 1 ． ．．．I ．． J l量 ．．、n ‘ - 、 _ ． ． - ． ‘／， a 正视图 螺母 l 声 2 0的 A。圆钢 加工而成 ， 如 图 3所示 ， 梯子梁 由 声 1 6的 A。 圆钢加工而成 ， 如 图 4所示． 充填体 锚栓 ‘ ． 。 ．／． 。 ． 。 ． ‘ ． 图 2 充填袋间锚栓与充填体两侧梯子梁布置 Fi g ． 2 La y o u t o f b o l t s a n d l a d d e r s h a p e d s t e e l s b 俯视图 图 3 锚栓结构 示意图 Fi g ． 3 S t r u c t u r e o f t h e b o l t a 横向梯子梁 螺母 l 图4 充填体梯子梁结构示意图 Fi g ． 4 S t r u c t u r e o f t h e l a d d e r s h a p e d s t e e l 4 充填体稳定性的控制效果 由于空间锚栓加固网的实施 ， 使充填体的整体 稳定性大大增强． 充填体中埋设的多基点位移计观 测结果表 明 没有安装空间锚栓加 固网时 ， 充填体 横 向变形量为 3 4 mm， 且受老顶周期来压 影响明 显 ； 安装了空 间锚栓加 固网后 ， 充填体横 向变形量 仅 6 mm， 且几乎不受老顶周期来压影响 ， 如 图 5 所 示． 4 0 l 3 0 2 0 {争 c l 0 0 3 6 9 1 2 1 5 1 8 2 l 2 4 2 7 距工作面距离／ m 图 5 充填体有无空间锚栓加固网的效果对比 F i g ． 5 Ef f e c t o f b o l t s o n t h e p a c k i n g b o d y 为测定充填体的受力情况 ， 沿充填体宽度方向 每隔 0 ． 5 m 布置 了 5个液压表． 由图 6可以看 出， 初期充填体外侧 采空区侧 首先承载， 距充填体内 侧 2 m处载荷较大． 受工作面周期来压影响， 最大 载荷逐渐向充填体的内侧 留巷侧 偏移 ， 载荷水平 在 1 ． 5 MP a左右． 至 督 b 纵向梯子梁 3 6 9 1 2 1 5 l 8 2 l 2 4 2 7 距工作 面距 离／ m 图 6 充填体压力变化 曲线 Fi g ． 6 Ch a n g e o f p r e s s u r e o n t h e p a c k i n g b o d y 图 7为充填体采用空间锚栓加固网加 固后的 竖 向变形和 留巷后的两帮收缩情况． 图中曲线 1为 充填体顶底的竖 向收缩量 ， 曲线 2为充填体中部至 实体煤帮 中部的收缩量． 由图 7可以看出， 充填体 的竖向变形较小 ， 而 留巷后两帮相对位移较大． 充 填体 中埋设的多基点位移计观测结果表明， 充填体 本身的侧向变形较小 ， 留巷后两帮相对位移较大的 主要原因是实体煤帮的位移较大． 总之， 由充填体的受力与变形实测结果 可以看 出， 充填体 的横 向变形量、 竖 向收缩量及所承受 的 压力都远低于极限量 ， 可见 ， 充填体是稳定 的． 充填 体稳定性的控制效果如图 8所示． 维普资讯 第 3期 张东升等 综放沿空留巷充填体稳定性控制 2 3 5 I ＼ 捌 爸 { 令 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 O l 5 l 0 5 O 距工作面距离／ m 图7 充填体位移变化 Fi g ． 7 De f o r ma t i o n c h a n g e o f t h e p a c k i n g b o d y 图 8 充填体稳定性的控制效果 Fig ． 8 Ef f e c t o f s t a b i l i t y c o n t r o l o f t h e p a c k i n g b o d y 5 主要结论 1 按所建立 的综放沿空留巷矿压模型， 进行 充填体变形分析和强度设计是合理的． 2 所选的 Z KD高水速凝材料， 采 用 2 ． 01 的水灰比， 能满足对充填体强度的要求． 3 采用空间锚栓加固网对充填体实施加固， 可大幅度提高充填体的整体强度和抗变形能力． 同 时， 可使充填体宽度进一步减小． 4 所 构筑 的支护性能优 良的充填体 ， 为综放 大断面沿空留巷技术 的开发成功奠定 了坚实 的基 础． 参考文献 [ 1 ] 周华强， 侯朝炯．国内外高水巷旁充填技术的研究与 应 用[ J 3 ．矿 山压力 与顶板管理 ， 1 9 9 1 4 7 - 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me c h a ni z e d c o a l f a c e s wi t h t o p c o a l c a v i n g． Ke y wo r d s r ock p r e s s u r e mod e l o f g o b s i d e e n t r y； s t a b i l i t y o f p a c k i n g b od y；t h r e e d i me n s i o n r e i n f o r c i n g n e t wi t h b o l t ；d e f o r ma t i o n me c h a n i s m 责任编辑王玉浚 维普资讯