俯采超高水材料充填体稳定性控制研究

2013-04-03冯光明

金属矿山 2013年4期

周帅冯光明李杰

(1.中国矿业大学矿业工程学院;2.深部煤炭资源开采教育部重点实验室)

1 工作面概况

山西大庄煤矿可采资源储量1 233万t，占压煤炭可采资源量为785.4万t，占目前全矿总可采资源量的63.3%，建筑下压煤导致无法布置工作面，严重影响了矿井连续生产。813作为试采充填工作面，能否顺利实施关系到整个矿井的生存。813工作面约有长达50m的俯采段，坡度为0°～8°。此阶段中采空区基本顶较破碎，移架后充填包体常出现失稳倾倒、垮塌，严重影响了工作面生产及采空区充填。

813充填工作面所采煤层为8#煤层，煤层顶板为灰岩，底板多为泥岩，局部为粉砂质泥岩及砂岩。工作面长度为150 m，煤层厚度2.63～3.05 m，平均2.83 m，煤层倾角为0°～8.5°，平均4.3°。采煤工艺为综采充填支架配合超高水材料袋式充填开采。充填液压支架由前架和后架组成，工作面正常支护采用前架，充填包之间间隔位置处及两个端头侧的前架后方连接后架(可根据充填体长度调整相邻两后架的间距)，后架顶梁两侧设有侧隔板，其余每个前部液压支架的顶梁上均设有挡板，挡板与两侧隔板一并围成“门”字形的便于挂袋充填的框架。采用将超高水充填材料充入吊挂好的袋内，凝固后对上覆岩层直接进行支撑的充填方法。该工艺操作简单，初期投资低，机械化程度高［1］。充填袋及支架布置如图1。

2 俯采段充填体力学模型分析

为了定量分析充填体失稳的原因及失稳的条件，建立了俯采段充填体的力学模型如图2、图3，分别从整体和部分两方面分析计算了失稳原因［2-4］。

由于短时间内充填体未对顶板起到支护作用，因此忽略顶板压力。当分别满足式(1)、式(2)的条件时，充填体不会整体沿底板滑动和整体翻倒:

图1 充填液压支架布置

图2 俯采段充填体力学模型

图3 充填体单元体剪切破坏

式中，G为充填体的重力，θ为俯采角度，μ为底板与充填体静摩擦系数，h为充填体高度，b为充填体宽度。以大庄煤矿为例，充填体规格为2.83 m×2.1 m×15 m，容重取1，μ取0.4，由此计算得出俯采角度应在0°～15°。

以充填体的单元体为计算对象，根据摩尔剪切理论，抗剪强度

式中，τ为抗剪强度，c为内聚力，φ为内摩擦角，σ为竖直应力。移架时(按充填后8 h计算)充填体的抗剪切强度τf＞抗剪强度τ时，充填体的单元体不会遭到剪切破坏。通过计算分析得出:水体积为95%的超高水材料可以满足要求，不会被剪切破坏。

由以上分析得出:充填体的稳定性与俯采角度和充填体的强度有关。俯采角度越小、充填材料强度越高对充填体的稳定控制越有利。

3 充填体稳定性控制方法

俯采段倾角与工作面布置有关，在布置工作面时尽量将其布置成仰斜或水平，不允许时可将其布置成俯斜或伪俯斜，使俯斜角度尽量变小，降低充填体失稳的可能性。由于813工作面布置时受周围原采空区所限，俯采角度已确定，不可改变。

充填体的强度与时间及充填浆液的配比有关［5-7］。在其他条件相同的前提下，不同浓度的浆液固结后在相同的时间内具有不同的强度，而相同浓度的浆液固结后在不同的时间强度也不同。超高水材料抗压强度参见表1。

表1 超高水材料抗压强度

因此对充填体的稳定性控制主要基于加强充填体自身强度和施加外力两方面，具体措施如下:①在充填管路承载范围内，调整了充填材料的水体积，由原来的96%调整至95%，以加强充填体自身的强度。②调整了充填外加剂的比例，使袋内充填体加速凝固，在下一循环拉支架时已达到一定强度。③给予充填体充分凝固的时间，在俯采坡度较大的情况下，对充填工序进行了安排调整，由原来的4 h凝固时间增加到8 h。④充填包挂包时，在靠支架一侧用单体液压支柱支撑，每隔约4 m设1根，拉架后单体液压支柱对充填体起到支撑作用，如图4所示。