基本顶断裂位置条件下沿空留巷充填体参数确定

周 睿，李元辉，闫斌移

(1.东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110004；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016)

采选技术

基本顶断裂位置条件下沿空留巷充填体参数确定

周 睿1，2，李元辉1，闫斌移2

(1.东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110004；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016)

沿空留巷基本顶断裂位置对充填体所需提供支撑力有很大影响，基于砌体梁理论，建立3种沿空留巷基本顶断裂结构力学分析模型，采用梁体挠度计算方法，得出充填体所需支撑力随开采深度、留巷巷道宽度、充填宽度的增加而增大；基本顶在采空区侧断裂充填体所需提供支撑力最小，沿空留巷围岩稳定性较易控制；基本顶在巷道上方或煤壁侧断裂，所需充填体支撑力较大；在靠近岩块A和岩块B的断裂位置处进行充填，有利于降低充填体需要提供的支撑力，并将研究成果在潘村煤矿1301工作面进行现场试验，沿空留巷取得成功。

沿空留巷；基本顶断裂位置；充填体；砌体梁；挠度

无煤柱沿空留巷是煤矿开采技术的一项重大改革[1]，此项技术不仅可以提高煤炭资源采出率、减少巷道掘进量、取消孤岛工作面及缩短搬家时间，并且可以实现Y型通风方式，有效解决瓦斯突出、冲击地压、火灾和瓦斯爆炸等煤矿重大灾害，其技术优势和经济效益显著[2]。随着煤矿高效开采技术的发展，许多学者对沿空留巷技术方面进行了许多研究工作，包括围压力学分析[3-4]、充填体所需提供支撑力[5]、充填材料选取[6]等，但目前研究成果中，较少涉及基本顶断裂位置对沿空留巷围压稳定性的影响，使力学分析中弱化上覆载荷作用形式，围压体系分析不全面，进而现场应用中忽略基本顶断裂位置的影响，仅参照其他矿井的充填材料和充填工艺，最终导致沿空留巷效果不理想，造成人力和物力的浪费。

本文依据上覆岩层基本顶的断裂位置，建立了3种沿空留巷基本顶断裂结构力学模型，对3种条件下充填体所需提供的支撑力进行定量分析，得出基本顶的断裂位置对充填体所需支撑力的影响，并根据3种断裂模型的力学规律，探索沿空留巷充填参数确定依据，开发留巷关键技术。

1 沿空留巷基本顶断裂结构力学模型

确保充填体有效支护是沿空留巷围岩稳定的前提。因此，依据现场地质条件来分析计算出保证留巷围压稳定时所需的支撑力显得尤为重要，而且支撑力的确定对充填材料的选择及充填工艺的确定也有一定的指导作用。在沿空留巷技术条件下，工作面倾向基本顶达到极限跨距后会发生断裂、回转和下沉，形成砌体梁结构[7]。基本顶的断裂位置与井下埋深、煤岩体力学性质、充填体的力学性质等因素有关。结合沿空留巷技术特点，影响充填体力学性质的基本顶断裂主要分为采空区侧断裂、巷道上方断裂和煤层侧断裂3种情况[8]，具体见图1。

图1 沿空留巷基本顶断裂力学模型

2 沿空留巷基本顶断裂结构力学分析

通过沿空留巷力学分析模型可以看出，岩块A和岩块B的断裂位置不同，沿空留巷围系统的力学结构也不同，充填体所需提供的支撑力也必定存在区别。其中，岩块A上方受到上覆岩层作用，下方由煤体提供支撑力，并且与岩块B形成铰接结构；岩块B经过断裂、回转、下沉后，与岩块A、岩块C形成铰接结构，下方基本不触矸[9]。根据建立的力学分析模型，将基本顶简化为梁结构，岩块A的下沉量远小于A的跨度，故可利用岩块A右端的下沉量为中介，分析3种情况下充填体所需提供的支撑力的变化规律。

2.1 基本顶在采空区侧断裂

基本顶在采空区侧断裂的力学分析如图2所示，其中岩块A的受力分析见图2(a)，由于在距离巷道较远的煤壁侧基本顶岩体没有破坏，故岩块A可视为悬臂梁结构，在上方受到上覆岩层的均布载荷q1的作用，下方受到煤壁提供的支撑载荷q2的作用；同时，岩块A还受到岩块B及沿空留巷充填体提供的支撑力Fc1的作用；岩块B的受力分析如图2(b)所示，在水平方向受到水平力T的作用；在垂直方向，受到上覆载荷q3、岩块A和岩块C的铰接力FAB、FCB作用。

图2 基本顶采空区侧断裂岩块受力分析

将岩块A视为悬臂梁结构，在右端产生的下沉量W1的计算见式(1)。

(1)

式中：q1为基本顶上覆岩层载荷，MPa；q2为煤壁提供的支撑载荷，MPa；L1为岩块A的长度，m；E为岩块A弹性模量，MPa；I为岩块A惯性矩，m4；D1为巷道宽度，m；D2为充填体的宽度，m；x1为充填体作用点距离岩块A右端的距离，m；ρA为岩块A密度，kg/m3；g为重力加速度，N/kg；Fc1为基本顶在采空区侧断裂充填体提供的支撑力，N；FBA为岩块B对岩块A在垂直方向的作用力，N。

通过式(1)，可以求得基本顶在采空区侧断裂充填体所需提供的支撑力Fc1，见式(2)。

(2)

岩块B的尺寸如图3所示，通过对FAB作用点取距，可得式(3)。

T·Lr+FCB·LCB-(GB+L3·q3)·LG=0

(3)

式中：GB为岩块B自重，N；q3为上覆岩层载荷，MPa；hB为岩块B高度，m；sB为岩块B下沉高度，m；LG为重力作用点带FAB作用点的垂直距离，m；LR为T作用点到FAB作用点的垂直距离，m；LCB为FCB作用点到FAB作用点的垂直距离，m。

图3 岩块B尺寸图

通过参考文献[7]可知，岩块A与岩块B之间的水平力T的计算见式(4)。

(4)

将式(4)带入式(3)，可以得出式(5)。对岩块B在垂直方向上进行受力分析，得出式(6)。

(5)

(6)

式中，FAB(FBA的反作用力)为岩块A对岩块B在垂直方向的作用力，N。其计算见式(7)。

将式(7)带入式(2)，可求得Fc1，见式(8)。

(7)

(8)

2.2 基本顶在巷道上方断裂

基本顶在巷道上方断裂的力学分析如图4所示，其中岩块A的受力分析见图4(a)。岩块A在上方受到上覆岩层的均布载荷q1的作用，下方受到煤壁提供的支撑载荷q2的作用。同时，岩块A还受到岩块B的作用力，岩块B的受力分析如图4(b)所示。岩块B在水平方向受到水平力T的作用，在垂直方向，受到上覆载荷q3、充填体支撑力Fc2、岩块A和岩块C的铰接力FAB、FCB作用。

岩块A右端产生的下沉量w2的计算见式(9)。通过式(9)，可以得到式(10)。对岩块B取平衡方程，可以得出Fc2的计算式，见式(11)。

(9)

(10)

(11)

图4 基本顶巷道上方断裂岩块受力分析

2.3 基本顶在煤壁侧断裂

基本顶在煤壁侧断裂的力学分析如图5所示，其中岩块A的受力分析见图5(a)。岩块A在上方受到上覆岩层的均布载荷q1的作用，下方受到煤壁提供的支撑载荷q2的作用，同时，岩块A还受到岩块B的作用力FBA；岩块B的受力分析见图5(b)，岩块B在水平方向受到水平力T的作用，在垂直方向，受到上覆载荷q3、下部煤层支撑力q2、充填体支撑力Fc3、岩块A和岩块C的铰接力FAB、FCB作用。

图5 基本顶煤壁侧断裂力学分析图

岩块A右端下沉量w3的计算见式(12)。通过式(12)，可以得到式(13)。

(12)

(13)

对岩块B取平衡方程，可以得出Fc3的计算式，见式(14)。

(14)

3 充填体所需支撑力变化规律分析

根据3种沿空留巷基本顶断裂结构下充填体所需支撑力的表达式，假定在理想状态下沿空留巷围岩结构稳定，岩块A右端的下沉量为零，来分析充填体支撑力的变化规律，相关参数参照贵州潘村煤矿选取，潘村煤矿主采3号煤层，在1301工作面运输平巷实施沿空留巷，其中煤层埋深108m，故上覆岩层载荷取为2.5MPa；岩块A和岩块B长度依据基本顶断裂几何尺寸表[8]，得出L1=15m，L3=12.5m；岩块B重力依据岩块B密度得出其重力GB为30000N；岩块B厚度hB依据基本顶厚度取为5m；岩块B下沉高度sB可近似取为煤层开采高度为2m；岩块B相关尺寸参数可参照下沉高度计算得出，其他具体参数选取如表1所示。

3.1 上覆岩层载荷对充填体所需支撑力影响

结合式(8)、式(11)和式(14)，将上覆岩层载荷q1视为自变量，充填体提供的支撑力Fc为因变量，来分析充填体支撑力随上覆载荷q1的变化规律，具体见图6。

表1 参数选取表

从图6可以看出，随着上覆载荷q1的增加，充填体所需提供的支撑力增大；基本顶3种断裂结构条件下，充填体支撑力差别较大。在采空区侧断裂充填体所需提供的支撑力最小，在上覆载荷为5MPa的情况下，所需支撑力不超过1000kN；而基本顶在巷道上方和煤壁侧断裂，充填体所需提供的支撑力均较大，在上覆载荷为1MPa的情况下，所需支撑力为5000kN左右；其中在煤壁侧断裂情况下所需支撑力最大，当载荷为5MPa的情况下，支撑力达到近10000kN。因此，开采深度越深，需要充填体提供的支撑力越大，留巷难度也随之增加。

3.2 留巷巷道宽度对充填体所需支撑力影响

将留巷巷道宽度D1视为自变量，充填体提供的支撑力Fc为因变量，来分析充填体支撑力随巷道宽度D1的变化规律，具体见图7。

从图7可以看出，随着留巷巷道宽度D1的增加，充填体所需提供的支撑力增大。基本顶在采空区侧断裂，充填体所需提供的支撑力最小，在留巷巷道宽度D1取5m的情况下，基本顶在采空区侧断裂所需支撑力为150kN左右，巷道上方断裂所需支撑力为5000kN；煤壁侧断裂所需支撑力约为9000kN。随着巷道宽度的增加，煤壁侧断裂时充填体所需支撑力增加的最为显著，而巷道上方断裂时充填体所需提供的支撑力变化较小。

3.3 充填宽度对充填体所需支撑力影响

将充填宽度D2视为自变量，充填体提供的支撑力Fc为因变量，来分析充填体支撑力随充填宽度D2的变化规律，具体见图8。

从图8可以看出，随着充填宽度D2的增加，充填体所需提供的支撑力增大，其中基本顶在煤壁侧断裂时，充填体所需提供的支撑力最大，而基本顶在采空区侧断裂，充填体所需提供的支撑力最小。因此在实际工作中，一味增加充填宽度并不能确保沿空留巷围压的稳定性。

3.4 充填位置对充填体所需支撑力影响

依据图2、图3和图4中x1，x2、x3的物理意义，对充填体支撑力随x的变化规律进行分析，见图9。

从图9可以看出，基本顶断裂3种情况下，充填体所需支撑力均随着x距离的增加而增大。可以得出，基本顶在采空区侧断裂的情况下，充填体在岩块A右端提供支撑力最适宜；基本顶在巷道上方或煤壁侧断裂的情况下，充填体越靠近岩块B的左端，所需支撑力越小；因此可以得出，靠近岩块A、B的断裂位置处进行充填，有利于降低充填体所需提供的支撑力。

图6 充填体支撑力随上覆载荷q1变化规律

图7 充填体支撑力随留巷巷道宽度D1变化规律

图8 充填体支撑力随留充填体宽度D2变化规律

图9 充填体支撑力随距离x的变化规律

4 工程实例分析

4.1 留巷巷道支护方案

通过以上力学分析可知，基本顶在采空区测断裂可以有效降低充填体所需提供支撑力。因此，1301运输平巷采用锚梁网索联合支护技术，并在巷道顶部增加布置4条长锚索、在煤壁侧巷帮上部增加布置2条长锚索来增强煤壁和巷道上方基本顶的整体性，提高基本顶强度，支护断面见图10。

4.2 基本定断裂位置探测

为确定基本顶断裂线的位置，选取5m长巷道作为测试段，测试基本顶断裂位置及岩块A下沉量，在1301运输平巷向基本顶方向施工6个探测钻孔，钻孔倾角分别为15°、25°、75°、70°、25°、15°。并采用CXK28钻孔成像仪对基本定断裂结构进行探测，钻孔布置方式见图11。

图10 巷道支护断面图(单位：mm)

图11 测试孔布置示意图

通过钻孔成像可知，基本顶大裂隙集中分布在靠近采空区侧，距离采空区边界1.88～2.44m的范围。

4.3 充填体参数确定

通过理论分析可以得出充填体布置在基本顶断裂位置处，可以降低充填体所需提供支撑力。因此，确定充填宽度为2.5m；对巷道顶部下沉量进行测定得出巷道顶板平均下沉量为0.033m，故可以计算出岩块A右端下沉量为0.04m，将相关参数代入到式(8)中，可以确定充填体强度为1.33MPa即可以达到要求，因此，充填材料选用胶结料与矸石加水搅拌混合而成，强度可达到1.5MPa～2.0MPa。然后通过充填泵输送到回采工作面后方由模板构筑的充填空间内凝结而成。

4.4 应用效果

目前，1301工作面已经回采结束，留巷巷道没有进行二次维护并且满足工作面回采要求，现场测试工作面回采时巷道两帮最大移近量为160mm，巷道顶底板最大移近量为140mm，具体见图12，沿空留巷取得成功。

图12 巷道变形曲线图

5 结 论

1)本文建立3种沿空留巷基本顶断裂力学分析模型，得出基本顶断裂位置对充填体支撑力有着重要的影响，充填体所需支撑力随开采深度、留巷巷道宽度、充填宽度的增大而增大；基本顶在采空区侧断裂充填体支撑力最小，沿空留巷围岩稳定性较易控制；基本顶在巷道上方或煤壁侧断裂，所需充填体支撑力较大；并且在靠近岩块A和岩块B的断裂位置处进行充填，有利于降低充填体需要提供的支撑力。

2)在贵州潘村煤矿1301工作面进行工业性试验，采用CXK28钻孔成像仪分析基本顶断裂位置后进行充填体参数确定，得出充填宽度2.5m，充填体强度大于1.33MPa的充填方案，并最终沿空留巷取得成功。

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Fillings parameters determine in gob-side entry retaining from fracture position of main roof

ZHOU Rui1，2，LI Yuanhui1，YAN Binyi2

(1.Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines，Northeastern University，Shenyang 110004，China；2.CCTEG Shenyang Research Institute，Shenyang 110016，China)

Fillings force was influenced by fracture line of main roof in gob-side entry retaining.Based on voussoir beam，three kinds of structure models were established，and through calculating deflection of beam，fillings force changed with depth of mining，width of roadway and fillings were found.Force was minimum with fracture line of main roof in goaf，surrounding rock was easy to be controlled；Force was bigger with fracture line of main roof upper roadway or in coal wall.Force was reduced with fillings was arranged where the fraction of rock A and rock B.Field experiment was done in 1301 work face from Panchun coal with the achievements，gob-side entry retaining was successful.

gob-side entry retaining；fracture position of main roof；fillings；voussoir beam；deflection

2016-04-06

中国煤炭科工集团有限公司青年科技创新基金资助(编号:2014QN003)

周睿(1985-)，男，辽宁鞍山人，工程师，博士研究生。

TD713

A

1004-4051(2016)12-0076-06