巷道充填体假顶强度设计与充填工艺研究

马清水，孙万明

(1.神木隆德矿业有限责任公司，陕西 榆林 719300；2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；4.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013)

充填假顶在煤矿、金属矿工程中均有应用[1，2]。在金属矿山领域，大规模嗣后充填开采过程中，事先构筑充填体假顶，采场不留顶底柱，充填体假顶在悬空条件下发挥承载作用，防止上部充填体与围岩垮塌，研究的重点多是对充填体假顶的尺寸、强度及稳定性的分析和研究[3-6]；在煤矿领域，在井巷掘进、采煤作业过程中，受地质构造、采动等影响，顶板常遇到破碎、冒顶等不利条件，除了采用人工架设假顶的方法外，有些矿井采用了顶板注浆再造假顶的方式维护顶板，研究重点为注浆材料、强度及工艺等[7-9]。

煤矿为提高资源回收率，提高矿井经济效益，计划将206工作面回风巷进行卧底，卧底量2.0m，同时在原巷道顶板支护体下方构筑1.5m厚的充填体作为假顶以满足生产对巷道尺寸的需要。与煤矿维护顶板的假顶不同，该假顶是为了满足巷道尺寸而特意设置，假顶的强度设计及充填工艺均与一般的假顶有所区别。

针对工作面巷道顶板条件、回风巷支护强度、矿井工作面巷道围岩变形实测规律，结合锚杆(索)支护强度理论[10，11]、材料力学对假顶强度进行分析设计，并结合矿井周边原材料情况，研究确定了充填材料及工艺。

1 巷道概况

206工作面所采煤层倾角为0°～6°，平均3°，煤厚13.6～20.2m，平均厚18.3m，地面标高+853～+1073m，回采巷道底板标高为+364.4～+407.4m，煤层埋深491.0～690.0m，平均埋深590.5m。

1.1 煤层顶底板特征

老顶：砂泥岩互层，厚度：3.52～33.53m，平均厚度18.52m。岩性特征：砂泥岩互层：以灰黑色砂质泥岩为主，夹薄层浅灰色细砂岩，呈互层状，水平～波状层理。

直接顶：主要岩层以砂质泥岩为主，厚度：1.37～1.54m，平均厚度1.45m。岩性特征：灰黑色，含植物叶部化石，具水平～缓波状层理，含砂量在20%左右。

直接底：泥岩，厚度：0.95～2.75m，平均厚度1.85m，岩性特征：深灰色，具水平层理，含黄铁矿薄膜。

老底：砂质泥岩，厚度：17.4～19.18m，平均厚度：18.33m。砂质泥岩：褐灰色，以粘土成分为主，含砂量在30%左右，具豆状结构，块状构造。

1.2 回风巷卧底充填前断面及支护参数

206工作面回风巷长2230m。净宽5m，净高3.5m，净面积为17.5m2。

回风巷支护材料及参数：①顶板支护采用锚杆压钢带网支护，锚杆采用∅18mm×3100mm无纵筋全螺纹钢树脂锚杆，锚杆间排距900mm×800mm，每排锚杆为6棵，每孔用K2350锚固剂三卷，顶网采用塑编网，网片规格为5400mm×1000mm；②两帮支护：采用锚杆压钢带网支护，两帮锚杆采用∅18×2100mm无纵筋全螺纹钢树脂锚杆，锚杆间排距1000mm×800mm。两帮每侧每排布置4棵锚杆，每棵锚杆采用K2350树脂锚固剂两卷锚固。两帮采用双向拉伸塑料网，网片规格为3600mm×1000mm。网片每隔300mm用10#铁丝连接牢固；③顶板锚索支护：锚索布置三路，锚索间距1600mm，前后梁端头间距900mm。锚索采用∅17.8mm的预应力镀锌钢绞线切制而成，长度6500mm，孔深6300mm，每孔装入K2350树脂锚固剂三卷。锚索梁采用高凸梯形钢带，锚索梁长度为2300mm，一梁两孔，孔中心距为1600mm。

2 充填体假顶强度设计

回风巷卧底及充填假顶尺寸如图1所示。回风巷长度2230m，卧底深度2.0m，充填假顶高度1.5m，超前支护方式为单体支柱。

图1 回风巷充填体假顶及支护

以充填方式形成假顶后，要对新形成的假顶进行支护。采用锚杆压钢带网支护，锚杆采用∅18mm×2400mm无纵筋全螺纹钢树脂锚杆，锚杆间排距1000mm×1000mm，每排锚杆为4棵，每孔用K2350锚固剂两卷，如图2所示。现场经锚杆拉拔试验，未出现拔出现象，按照锚杆悬吊充填体自重并考虑2倍安全系数校核锚杆强度满足支护要求。

巷道充填体假顶从支护完成至工作面回采结束的整个过程，主要承受的荷载有：①巷道顶板支护荷载，主要为锚杆拉力通过托盘对充填体造成的压力；②回采过程中工作面超前支护荷载；③工作面端头支架支撑力；④巷道围岩变形引起的附加荷载，充填体假顶强度设计应满足充填体在上述不同荷载作用下不会发生破坏的要求，并以其中荷载作用下充填体内部应力最大值作为充填体强度的下限值。

2.1 锚杆支护荷载分析

支护充填体的锚杆主要承受充填体假顶的自重(初锚力以安全系数考虑)，以此分析锚杆拉力对充填体假顶在托盘处形成的压力。

结合锚杆支护悬吊理论，计算锚杆悬吊充填体假顶重量为：

G=9.8kBaγcHc/n=73.5kN

式中，k为安全系数，取2；B为支护顶板宽度，即巷宽，5m；a为锚杆排距，1.0m；γc为充填体密度，取2000kg/m3；Hc为充填体厚度，1.5m；n为每排锚杆数量，4。

按照锚杆托盘15cm×15cm的规格计算锚杆拉力对充填体产生的压力为：

73.5×1000/(0.15×0.15)=3.3MPa

根据锚杆支护荷载分析结果，回风巷充填体假顶强度应不低于3.3MPa。

2.2 回风巷超前支护荷载

回风巷超前支护采用单体液压支柱配合铰接顶梁支护，超前50m范围内采用四排单体支柱按间距0.8m布置，共250棵。

对工作面超前50m的顶板压力进行估算：

G=50KBHγy×9.8=61250kN

式中，G为顶板岩层重力，kN；K为最大来压系数，取 2；H为垮落顶板厚度，5m；γy为岩体密度，取2500kg/m3。

工作面前50m充填体自重为：

Gc=50BcHcγc×9.8=7350kN

式中，Gc为充填体自重，kN；Bc为充填体宽度，m。

根据巷道顶板及充填体假顶自重荷载大小，计算得到平均每棵超前单体支柱的工作阻力为：

M=(G+Gc)/250=(61250+7350)/250=274.4kN

式中，M为支柱支护工作阻力，kN。

以铰接顶梁与充填体接触面积计算两者间的接触强度为：

σ1=M/(1000BjN)=3.4MPa

式中，Bj为顶梁宽度，m；N为单体支柱间距，m。

2.3 工作面端头支架支撑力

根据工作面作业规程等资料，端头支架支护强度在0.847～1.31MPa范围内，因此，从端头支架支护强度角度考虑，充填体强度应不低于1.31MPa。

2.4 巷道围岩变形引起的附加荷载

回风巷充填体假顶形成以后，在工作面超前影响范围内的巷道均将发生一定幅度的围岩变形，而在工作面超前影响范围以外的巷道所受影响很小。

由矿井其他工作面巷道收敛量观测数据可知，工作面超前影响范围一般为47～75m，工作面推过前后顶板下沉速度较快，下沉量也较大，实测顶板最大下沉量为220mm。

从材料力学角度分析，将超前影响范围内的充填体假顶看作一端固支的悬臂梁，顶板对充填体的荷载简化为均布荷载，梁两端的相对位移为实测顶板下沉量，如图2所示。

图2 顶板压力作用下充填体假顶受力变形

根据材料力学，在悬臂梁两端相对位移已知条件下，将计算条件简化后反算推演，得到充填体内部最大拉应力计算式如下：

式中，E为充填体弹性模量，MPa；H为充填体厚度，取1.5m；w为充填体挠度，m；l为充填体计算长度，m。

根据风积砂似膏体胶结充填体力学性能指标经验数据，当充填体单轴抗压强度达4～6MPa范围时，弹性模量达1.0～1.7GPa，计算取1.7GPa。

根据实测巷道收敛量数据，选取最不利的情况，即超前影响47m、顶板累计下沉220mm，分析充填体内部应力。

依上式计算得到回风巷围岩变形引起的充填体内部最大拉应力为0.51MPa。

综合以上四种不同荷载条件下充填体假顶的受力分析结果可确定，回风巷充填体假顶抗压强度应达3.4MPa以上，抗拉强度应达0.51MPa。考虑一定的安全系数，充填体假顶的设计抗压强度和抗拉强度分别为6.0MPa、0.8MPa。

3 假顶充填工艺

3.1 充填材料及系统

充填体假顶主要由钢筋骨架和充填材料组成。经对矿井周边充填原材料情况的初步调研以及结合煤矿常用充填材料及工艺[12-16]，初步确定以河砂、粉煤灰、水泥、外加剂和水作为原材料制备巷道假顶的充填材料，固料质量浓度在70%～75%之间，固料中：粉煤灰占35%，水泥(一般为325水泥)占10%，河砂占50%，速凝剂等添加剂占5%。将以上几种原材料按照上述配比混合搅拌，形成一种膏状浆体材料，再通过充填泵和管路把浆体输送到巷道顶板待充填单元。充填单元是由顶板、煤壁和特殊的密封材料隔离形成的封闭充填空间。整个充填系统全部布置于井下，充填系统的主要由充填材料储存、搅拌设备和泵送、管路系统组成。

3.2 充填空间构成及密封方式

充填空间主要由脚手架、模板、弹性密封垫等搭接构成密封空间，如图3所示。其中，脚手架支撑模板及充填材料重量，密封垫用于填充模板与煤壁掏槽间的空隙和模板搭接缝隙。

图3 充填空间及密封方式

密封工作的难点主要在于模板与两侧煤壁间的间隙，由于煤壁表面平整度较差，与模板结合后的缝隙较大。为此，可通过在两帮沿模板水平位置掏槽，将模板外边缘包裹密封材料后插入掏槽内，以此实现该位置的密封。

3.3 充填施工工艺

充填施工应分段按步距施工，施工顺序应从切眼开始由内向外后退式进行。根据充填材料流动性、结实率、充填效率等，初步将充填步距确定为10m，根据实际施工效果可进行适当调整。具体的施工工艺过程为：①支设密闭空间，依次进行安装脚手架、安装钢筋网、支设模板；②密封处理，在两侧煤壁分别沿底面模板位置水平方向和当前步距端头模板位置竖直方向进行掏槽，对掏槽位置模板与煤壁之间、模板搭接缝隙用弹性密封垫进行密封；③充填材料制备、输送、充填，根据巷道宽度、充填高度和充填步距估算充填材料方量，按照材料配比制备充填材料，并通过注浆泵和管路将材料注入顶板充填空间内；④充填体凝固；⑤顶板支护、拆模、拆除脚手架。每步距的充填工艺循环如图4所示。

图4 充填工艺

前一步距“充填体凝固”时，可进行下一步距“支设密闭空间”工序。相邻步距的钢筋网及充填体应做好搭接，以保证充填体假顶的连续性和完整性。

4 经济效益初步分析

从资源回收量、充填成本、卧底及支护成本等方面分析回风巷卧底充填工程的经济效益。

回风巷宽5.0m，长2230m，卧底深度2.0m，充填假顶高度1.5m，整条巷道卧底出煤量约2.9万t，吨煤单价取400元/t；充填材料成本根据材料用量和单价计算，根据材料配比和以往充填材料成本统计数据，充填材料成本取100元/m3，充填设备折旧、人工、电费等费用取20元/m3，则假顶充填成本为120元/m3，巷道假顶充填材料量为1.67万m3；卧底出煤成本取100元/t；假顶支护成本主要为每米巷道4根锚杆的材料和施工费用，取350元/m。基于以上数据计算得到回风巷卧底、充填假顶工程可实现利润约592万元，单位进尺的利润约2655元/m。

5 结 论

1)从巷道充填体假顶承受的锚杆(索)支护荷载、超前单体支柱支护荷载、工作面端头支架支护强度、巷道围岩变形引起的附加荷载综合分析，充填体假顶设计抗压强度为6.6MPa、抗拉强度为0.8MPa。

2)结合煤矿常用充填材料及工艺，研究确定了充填体假顶的充填材料、充填系统、充填步距、充填空间支设、密封处理、充填工序等。

3)巷道充填体假顶强度分析设计方法及充填工艺可为类似条件巷道、破碎顶板巷道维护等提供有益借鉴。

4)类似工程的实施应从实施目的、资源回收量、充填成本、支护成本、生产效率等方面综合分析工程的必要性和可行性。