謝生榮,張廣超,何尚森,孫運江,李二鵬,楊綠剛,謝國強

(1.中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院,北京 100083;2.冀中能源股份有限公司,河北邢臺 054001;3.冀中能源股份有限公司邢東煤礦,河北邢臺 054021)

深部大采高充填開采沿空留巷圍巖控制機理及應用

謝生榮1,張廣超1,何尚森1,孫運江1,李二鵬1,楊綠剛2,謝國強3

(1.中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院,北京 100083;2.冀中能源股份有限公司,河北邢臺 054001;3.冀中能源股份有限公司邢東煤礦,河北邢臺 054021)

針對深部大采高充填開采沿空留巷支護系統(tǒng)損毀等礦壓現(xiàn)象,提出了高水材料充填體性能優(yōu)化、錨桿索強力聯(lián)合支護和鋼管混凝土組合支架的綜合控制技術,并闡明其作用機制。綜合多種方法研究分析不同配比方案條件下的充填體力學性能和礦壓規(guī)律,得出C2組配比材料充填能較快形成穩(wěn)定平衡大結(jié)構(gòu);提出降低實體煤幫高度和采用高強錨桿索形成點線面結(jié)合的支護結(jié)構(gòu)體系,保障關鍵支承點實體煤幫穩(wěn)定,以及高預應力高強錨桿索和桁架錨索系統(tǒng)保障留巷頂板小結(jié)構(gòu)完整;研制的圓鋼管混凝土組合支架具有承載能力高、抗彎性能強、塑性與韌性好以及一定讓壓能力和抗側(cè)壓能力等優(yōu)越性,能適應深部留巷頂板大變形和提升充填體圍巖支護性能?，F(xiàn)場實踐表明,采用綜合控制新技術后,無明顯周期來壓現(xiàn)象,支護系統(tǒng)未發(fā)生彎曲損毀現(xiàn)象,充填體側(cè)頂?shù)装逡平窟_490 mm,實現(xiàn)了深部大采高沿空留巷圍巖的有效控制。

充填體改性;強力聯(lián)合支護;鋼管混凝土支架

無煤柱沿空留巷支護技術是提高煤炭資源采出率,實現(xiàn)煤炭資源科學開采的關鍵技術之一[1]。近年來,隨著煤礦巷道支護理論與技術的發(fā)展,我國學者在沿空留巷圍巖控制理論與技術方面亦取得較大的進展。侯朝炯、李學華闡明了綜放沿空掘巷圍巖大、小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性原理[2]。康紅普等提出深部留巷支護設計原則與方案[3]。陳勇、柏建彪等開發(fā)了適應留巷階段性圍巖大變形與應力調(diào)整的巷內(nèi)支護技術[4]。李迎富、華心祝等研究了關鍵塊與留巷圍巖相互作用機制[5]。張吉雄等建立了側(cè)向壓力與巷旁支護體穩(wěn)定性力學模型,對密實充填采煤沿空留巷巷旁支護體的合理寬度進行了研究[6]。趙慶彪、劉長武研制出具有強力切頂、高阻讓壓、可縮協(xié)調(diào)等功能的組合支架[7]。薛俊華、韓昌良探討了采高因素影響下的沿空留巷頂板應力的分布特性,提出了大采高沿空留巷圍巖分位控制對策[8]。我國學者在一些深部礦井、綜放以及矸石充填面等單項復雜條件進行了留巷試驗探索,但對于深部大采高高水材料充填開采工作面留巷礦壓規(guī)律與控制技術研究甚少。本文針對邢東煤礦特殊地質(zhì)生產(chǎn)條件,提出了集高水材料充填體性能優(yōu)化、錨桿索強力聯(lián)合支護系統(tǒng)和鋼管混凝土組合支架于一體的綜合控制技術,實現(xiàn)深部大采高充填開采留巷圍巖有效控制。

1 工程概況

邢東煤礦1126綜采工作面位于-760水平一采區(qū),埋深達800 m以上,是邢東煤礦首個高水材料充填工作面,主采2號煤層,為氣肥煤類。2號煤層賦存較穩(wěn)定,工作面區(qū)域煤層厚度為4.43～4.80 m,平均厚度4.7 m,煤層平均傾角9°。直接頂為5 m厚的粉砂巖,基本頂為8 m厚的細砂巖,底板為10 m厚的粉砂巖。1126大采高綜采工作面采用傾斜長壁采煤法,工作面長度為60 m,平均采高為4.5 m。試驗巷道為1126工作面運料巷,巷道沿2號煤層頂板掘進,初始斷面為矩形,寬4.5 m,高3.6 m,回采后充填側(cè)巷道高度為4.5 m。

2 試驗留巷圍巖穩(wěn)定性控制機理

2.1 深部大采高充填開采留巷技術特點

研究與實踐表明,密實充填開采工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)以完整層狀巖層為主,一般不會形成普通垮落法開采的“O-X”斷裂形態(tài),亦不會出現(xiàn)明顯周期來壓現(xiàn)象,這表明密實充填限制了基本頂彎曲下沉中的回轉(zhuǎn)變形,為工作面沿空留巷實施提供了良好的圍巖環(huán)境[9]。深部大采高工作面采場圍巖結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律與普通采高有著明顯區(qū)別,其關鍵塊回轉(zhuǎn)空間大,當頂板移動變形達到一定程度,充填體力學性能與充填率不能有效保障基本頂處于完整層狀結(jié)構(gòu)時,基本頂則產(chǎn)生周期性破斷,開采擾動劇烈,對沿空留巷支護系統(tǒng)的破壞性大[10],其覆巖結(jié)構(gòu)形態(tài)特征如圖1所示。邢東煤礦在1126大采高充填開采綜采工作面運料巷用單體液壓支柱組合支架進行巷旁支護。在留巷初期較好地控制了充填體變形破壞;當支架距工作面36 m時,單體液壓支柱即開始出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象(圖2(a));隨著支架彎曲與頂板進一步下沉,留巷圍巖變形加劇,直至巷道頂板垮落失效,最終封閉了該留巷試驗段(圖2(b))。

圖1 大采高充填開采留巷圍巖結(jié)構(gòu)力學模型Fig.1 Mechanical model of retaining entry surrounding rock structure in backfilling

2.2 深部大采高充填開采留巷圍巖控制對策

根據(jù)深部沿空留巷支護原則[3]以及上述分析結(jié)果,提出深部大采高充填開采沿空留巷圍巖控制對策:①改進采空區(qū)高水材料充填體的力學性能與充填率,提高其支撐能力,減小等價采高,降低覆巖可自由移動空間,實現(xiàn)深部大采高充填開采綜采面無周期來壓現(xiàn)象,減弱動載荷對沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的影響;②巷內(nèi)基本支護采用高預應力、高強度、高剛度并具有足夠韌性的強力錨桿索和高預應力桁架錨索的聯(lián)合支護系統(tǒng),它能有效控制圍巖擴容變形,抑制頂板離層與煤幫鼓出,保持圍巖的完整性,為成功留巷創(chuàng)造基本條件[3,11-12];③采用抗彎性能較強的圓鋼管混凝土支架和充填體側(cè)鋼梁壓經(jīng)緯網(wǎng)組合支架進行充填體側(cè)巷旁支護,巷旁鋼管組合支架具有一定讓壓能力,且具有承載力高、抗彎性能強、塑性和韌性好等優(yōu)點,能較好地適應深部大采高充填開采沿空留巷圍巖控制。

圖2 巷道支護體破壞變形Fig.2 Failure and deformation of roadway support

3 深部大采高沿空留巷圍巖控制技術

3.1 沿空留巷大結(jié)構(gòu)與充填幫控制研究

本節(jié)采用改變高水材料配比提升支護性能和混合式充填法(達95%)提高充填率的技術措施,改善圍巖環(huán)境,并采用充填體力學特性試驗和現(xiàn)場礦壓監(jiān)測相結(jié)合的方法深入分析充填體支護性能優(yōu)化對沿空留巷圍巖控制的積極意義。

3.1.1 高水充填體力學性能試驗

為了降低1126試驗工作面充填開采成本,采取了高水材料充填體水灰比由5∶1變?yōu)?∶1的現(xiàn)場試驗。因此,實驗室制作水灰比分別為5∶1和6∶1的高水材料充填體試件,進行充填體物理力學試驗。配比方案如下:A∶A-A∶B∶B-B=1∶0.15∶1∶0.01,水灰比6∶1,用C1表示;A∶A-A∶B∶B-B= 1∶0.09∶1∶0.01,水灰比為5∶1,用C2表示。A料主要由鋁土礦石膏等獨立煉制并復合超緩凝分散劑構(gòu)成,B料由石膏、石灰和復合速凝劑構(gòu)成,A-A, B-B料為A料和B料混合前分別加入的輔助小料,所占比例較小。由于高水充填材料試樣強度較低,采用PVC切縫管以及70 mm×70 mm×70 mm澆筑模具澆筑,試件凝固一段試件后照片如圖3所示。由圖3可知,C1配比試樣表面析出一層水,而C2試樣無析水且未出現(xiàn)干燥粉末,水分吸收達到飽和狀態(tài)。

圖3 不同水灰比材料成形試樣Fig.3 Samples composed of different water-cement ratio

試件在養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護72 h后進行試驗,試驗內(nèi)容包括單軸壓縮試驗、劈裂試驗和變角剪切試驗。C1組配比充填體試樣抗壓強度、彈性模量、抗剪強度分別為315 kPa,28.4 MPa,230 kPa,而C2組配比充填體則分別為C1組配比充填體的129.5%,165.5%, 111.3%。這表明,C2組配比充填體力學性能優(yōu)于C1組配比充填體,且其抗變形能力尤為突出。此外,設計了充填體施加不同側(cè)向約束條件下的單軸試驗,研究施加側(cè)向約束對充填體力學性能的影響。側(cè)向約束的施加方式為環(huán)形膠套束縛,束縛強度分別為1層、3層和5層,試驗結(jié)果見表1。由試驗結(jié)果可知,2種配比充填體在側(cè)向約束情況下,其抗壓強度顯著增大,且隨著約束力增大,而呈增加趨勢。因此,對沿空留巷充填體進行高強度的側(cè)向約束,能有效增加沿空留巷淺部充填體對頂板變形的控制作用。

表1 充填體力學性質(zhì)試驗結(jié)果Table 1 Test results of filling body mechanical property

3.1.2 充填體力學性能對覆巖運動的影響

1126充填工作面采用ZC12400/30/50型液壓支架,其中前架為綜采支架,后架為充填支架,3號支架為留巷側(cè)區(qū)域支架。采用KJ216-F型頂板壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)對C1組與C2組配比充填開采過程中采場支架工作阻力進行實時監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出,采空區(qū)采用C2組配比充填體(0～60 m段)時,工作面無周期來壓現(xiàn)象;而后礦方為了降低成本,采用了C1組配比材料充填(60～120 m段),則出現(xiàn)了周期來壓現(xiàn)象,但來壓不明顯,動載荷系數(shù)較小。

上述試驗與實踐表明,采用C2組配比材料充填采空區(qū),不僅充填體自身力學性能與側(cè)向約束條件下的力學性能均優(yōu)于C1組配比材料充填體,而且實現(xiàn)了工作面無周期來壓現(xiàn)象,減弱了動載荷對沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的影響,較快形成穩(wěn)定平衡大結(jié)構(gòu),有利于深部大采高充填開采沿空留巷圍巖小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性控制。

圖4 充填工作面支架工作阻力監(jiān)測結(jié)果Fig.4 Monitoring results of support working resistance in backfilling face

3.2 沿空留巷巷內(nèi)強力聯(lián)合支護系統(tǒng)

充填開采沿空留巷圍巖控制的實質(zhì)就是保證大、小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[2],在形成較穩(wěn)定大結(jié)構(gòu)的基礎上,必須保證小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。要實現(xiàn)留巷圍巖小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定就必須要保證頂板完整性及其關鍵支承點實體煤幫的穩(wěn)定性。

3.2.1 留巷頂板關鍵支承點穩(wěn)定性控制技術

研究與實踐表明,沿空留巷實體煤幫變形受其極限平衡區(qū)范圍和煤體應力分布影響很大,煤幫向巷道內(nèi)水平位移值大小與煤體極限平衡區(qū)寬度成正增長關系[13]。根據(jù)彈塑性極限平衡理論,可得應力極限平衡區(qū)的寬度x0[14]為

其中,m為煤幫高度;A為側(cè)壓系數(shù);φ0為內(nèi)摩擦角;k為應力集中系數(shù);H為埋深;γ為上覆巖層平均容重; C0為煤層界面黏聚力;Px為支護阻力。由式(1)可知,實體煤幫極限平衡區(qū)隨著巷道埋深、煤幫高度、應力集中系數(shù)以及側(cè)壓系數(shù)的增大而增大,隨著煤層界面黏聚力和內(nèi)摩擦角的減小而增大,隨著支護阻力增大而減小。邢東煤礦試驗沿空留巷較之普通巷道具有原巖應力高、煤幫高度大、深部煤體軟弱、應力集中系數(shù)與側(cè)壓系數(shù)大[15]的特點,在這些因素綜合作用下其極限平衡區(qū)急劇增大,水平位移量亦將大幅增加。因此,深部大采高沿空留巷實體煤幫必須采用具有充分長度的高預應力高強錨索進行補強支護,盡可能使錨索錨固端位于彈性區(qū)穩(wěn)定煤體內(nèi),其支護機理如圖5所示。塑性破壞區(qū)煤體在支承壓力和重力的作用下沿節(jié)理面滑動,對錨索產(chǎn)生作用力P′,分別沿錨索的軸向方向和徑向方向分解為P1和P2,幫錨索則是通過軸向反作用力與徑向反作用力來阻止煤幫產(chǎn)生破壞和變形的,因此,幫錨索提供的徑向約束力阻止裂隙煤體沿結(jié)構(gòu)面滑動,軸向約束力阻止煤體松動脹出。

圖5 煤幫錨索作用機理Fig.5 Working mechanism of coal-side cables

據(jù)現(xiàn)場工程經(jīng)驗,確定幫錨索采用?17.8 mm× 4 500 mm的19絲高強高延伸率預應力錨索,拉斷載荷達400 kN,延伸率為7%;幫錨桿選用?20 mm× 2 100 mm高強左旋螺紋鋼錨桿,預緊力矩不得低于140 N·m。幫錨索沿水平方向用?16 mm的鋼筋梯子梁連續(xù)連接,與豎直方向上的錨桿鋼梁系統(tǒng)形成縱橫交錯壓網(wǎng)的點線面結(jié)合的支護結(jié)構(gòu)體系,提高錨固體整體強度,阻止煤體坍塌、片幫,保證實體煤幫穩(wěn)定。此外,為了進一步減小留巷實體煤幫極限平衡區(qū)范圍,降低關鍵支承點的控制難度,提出1126運料巷煤幫側(cè)底煤在留巷期間不再起底回收,而在將來復用時再回收,這樣留巷高度就由4.5 m降低到3.6 m以下,不僅大幅降低了支護難度,而且節(jié)省了支護材料。

3.2.2 深部沿空留巷頂板組合支護技術

(1)頂板高預應力錨桿索強力支護系統(tǒng)。

研究表明,提高錨桿支護系統(tǒng)初期支護剛度、強度及預應力,能大幅改善圍巖弱面的力學性質(zhì)與圍巖深淺部應力分布狀態(tài),有效控制圍巖塑性區(qū)及破碎區(qū)發(fā)展,保持較大范圍圍巖的完整性[12,16]。根據(jù)邢東煤礦實際生產(chǎn)條件與工程經(jīng)驗,確定頂錨桿選用?22 mm×2 400 mm高強左旋螺紋鋼錨桿,預緊力矩不得低于250 N·m。頂板錨索能對沿空留巷圍巖施加高壓應力,與錨桿施加產(chǎn)生的壓應力區(qū)形成骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),進而形成淺深部連接的較大范圍高穩(wěn)定性圍巖承載結(jié)構(gòu)[12],能有效抑制頂板離層,保持在留巷頂板彎曲變形過程中的完整性。因此,單體錨索采用?21.8 mm×8 500 mm的19絲高強高延伸率預應力錨索,拉斷載荷達600 kN,延伸率為7%。

(2)高預應力桁架錨索支護系統(tǒng)。

實踐表明,深部大采高充填開采沿空留巷圍巖在強烈大變形作用下,頂板會向采空區(qū)充填側(cè)發(fā)生類似于懸壁梁式的彎曲下沉變形,而這一變形使得錨桿索支護系統(tǒng)可能失去其應承受拉伸應力狀態(tài)的最佳作用功能,而呈現(xiàn)出拉、剪、彎組合變形狀態(tài)[17]。因此,結(jié)合桁架錨索支護系統(tǒng)的優(yōu)越性,將其應用到沿空留巷頂板加強支護上,發(fā)揮其復向施強力、抗剪性能強、錨固點穩(wěn)固與內(nèi)移、力連續(xù)傳遞及形成閉鎖結(jié)構(gòu)等優(yōu)越性[11,18]。高預應力桁架錨索系統(tǒng)不僅能使得留巷頂板在巷道斷面方向形成整體,頂板受力狀態(tài)良好,而且能有效阻止因留巷煤幫上方頂板斷裂而產(chǎn)生切頂事故,還具有適應深部巷道圍巖控制的“先剛后柔再剛、先抗后讓再抗”的支護性能,保持支護系統(tǒng)有效性。頂板桁架錨索系統(tǒng)提供的復向高預緊力,有利于頂板煤巖體處于壓應力狀態(tài),實現(xiàn)深部留巷支護的“先剛”和“先抗”,避免留巷頂板破碎;桁架錨索錨固點內(nèi)移和錨索自身延伸率能起到讓壓作用,使其受力合理增加且剛度匹配良好,實現(xiàn)了“后柔”和“后讓”;錨固點位于巷道深部三向受壓巖體內(nèi),實現(xiàn)應力轉(zhuǎn)移,且為深部留巷圍巖控制的“再剛”和“再抗”提供可靠穩(wěn)固的承載基礎;力的連續(xù)傳遞性和形成的大范圍閉鎖結(jié)構(gòu)能有效避免局部應力過大,支護系統(tǒng)出現(xiàn)損毀現(xiàn)象。鑒于桁架錨索具有適應深部留巷支護的諸多優(yōu)點,在參數(shù)設計中,桁架錨索規(guī)格可較單體錨索相應降低,減少支護成本。因此,桁架錨索采用?17.8 mm×8 500 mm的19絲高強高延伸率預應力錨索,拉斷載荷400 kN,延伸率為7%。

3.3 留巷巷旁鋼管混凝土組合支護系統(tǒng)

3.3.1 鋼管混凝土支架受力分析

針對深部大采高留巷巷旁單體液壓支柱承載力低、抗側(cè)壓能力弱的問題,提出采用圓鋼管混凝土支架取代單體液壓支柱進行巷旁協(xié)同控制。鋼管混凝土支架是指在鋼管中填充混凝土的支架,其工作原理可用軸心受壓情況來解釋,鋼管混凝土支架軸心受壓時鋼管與混凝土的受力狀態(tài)如圖6所示,其中,D為混凝土柱的直徑,Dc為鋼管的內(nèi)直徑,t為鋼管的厚度。

由圖6可知,鋼管混凝土支架在軸壓N的作用下,縱向壓力增大,其鋼管與混凝土的縱向應力和縱向應變均增大,橫向變形亦隨之發(fā)生。橫向變形產(chǎn)生的橫向應變與縱向應變關系可用下式表達:

圖6 軸心受壓時鋼管和混凝土的受力狀態(tài)Fig.6 Force state of steel and concrete with stressed shaft center

其中,ε1,ε3分別為縱向應變和環(huán)向應變;μ為泊松比,下標c,s分別表示混凝土和鋼管。根據(jù)材料力學理論,由式(2)和(3)可得,鋼管混凝土支架在軸壓作用下,初始階段μs＞μc,則ε1s＞ε1c,鋼管和混凝土各自獨立發(fā)揮作用;但很快μc接近并等于μs,即μs=μc,從而ε1s=ε1c,鋼管和混凝土處于變形協(xié)調(diào)階段;之后μs＜μc,即ε1s＜ε1c,鋼管橫向向外變形小于混凝土,則鋼管對混凝土變形起到約束作用,這種起到約束作用的力為緊箍力,用P表示,其隨著縱向變形增加而增大。鋼管和混凝土均處于三向應力狀態(tài),不同的是鋼管在縱向應力′和徑向應力均為壓應力,環(huán)向應力為拉應力,而混凝土在上述3個方向上的應力σ3,σ2,σ1均為壓應力。這表明鋼管混凝土支架不僅承載能力大幅提高,而且在受壓過程中表現(xiàn)出較好的彈性和塑性性能,可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲,保證其材料性能的充分發(fā)揮。

3.3.2 鋼管混凝土組合支架及其作用機制

在大采高充填開采留巷過程中,綜采工作面充填擋板支架推進后,采空區(qū)充填體留巷側(cè)的應力趨于零,淺部圍巖由三向應力狀態(tài)調(diào)整為二向應力狀態(tài),在產(chǎn)生的偏差應力作用下充填體抗壓強度、泊松比和抗拉強度等非固有屬性惡化,圍巖峰值強度和殘余強度顯著降低[19]。結(jié)合試驗留巷圍巖變形破壞特征與力學試驗結(jié)果,深部大采高充填開采沿空留巷巷旁支護系統(tǒng)不僅要具有承載力高、抗彎性能強、塑性與韌性好等優(yōu)點,還要具有一定讓壓能力以及抗側(cè)壓能力,以便充分發(fā)揮留巷充填體圍巖的支護性能。因此,在綜合上述研究成果基礎上,提出了采用圓鋼管混凝土組合支架進行充填體側(cè)巷旁支護,它是指采用雙圓鋼管混凝土支架支護頂板的同時通過底部支點木塊和頂部十字鉸接頂梁控制巷旁“π”型鋼梁壓經(jīng)緯網(wǎng)的組合支護方式,如圖7所示。巷旁支護完成后,在頂板變形初期,鋼管混凝土組合支架對頂板起主要支護作用,充填體協(xié)同控制頂板的穩(wěn)定性,在此過程中鋼管混凝土支架扎底讓壓,鋼管扎底量大于混凝土扎底量,鋼管混凝土支架被壓縮變形,形成鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu);之后,隨著大采高頂板進一步變形,充填體壓縮趨于穩(wěn)定,其臨空界面的變形被支架“π”型鋼梁壓經(jīng)緯網(wǎng)所限制,充填體受力狀態(tài)被改善,此時充填體對頂板支護作用顯著增強,與鋼管混凝土組合支架協(xié)同控制頂板變形;當圍巖變形達到一定狀態(tài)后,鋼管混凝土支架與充填體也都趨于穩(wěn)定,兩者最終形成有效的巷旁協(xié)同控制系統(tǒng)。

圖7 鋼管混凝土組合支架結(jié)構(gòu)Fig.7 Combined brackets structure of steel and concrete

4 工程應用

4.1 沿空留巷支護方案與參數(shù)

結(jié)合礦方實際地質(zhì)條件,在上述分析的基礎上,綜合多種方法研究確定1126試驗留巷支護方案與參數(shù)。頂錨桿采用?22 mm×2 400 mm高強錨桿,間排距700 mm×800 mm,預緊力矩不得低于250 N·m。頂錨索采用?21.8 mm×8 500 mm的19絲錨索,間排距為1 250 mm×1 600 mm,其中兩側(cè)單體錨索沿走向用槽鋼連接,呈邁步方式布置,中間錨索單獨布置。頂板桁架錨索采用?17.8 mm×8 500 mm的19絲錨索,孔深7.0 m,底部跨度為2.1 m,排距4.8 m。幫錨桿選用?20 mm×2 100 mm高強左旋螺紋鋼錨桿,間排距700 mm×800 mm。幫錨索采用?17.8 mm× 4 500 mm的19絲高強高延伸率預應力錨索,間排距為1 050 mm×1 600 mm,呈三花眼布置。

沿空留巷巷旁鋼管混凝土組合支架是在充填體側(cè)支設兩排鋼管混凝土支架,鋼管內(nèi)徑為200 mm,注入強度C40混凝土,鋼管高度為4.5 m,支架間距為500 mm,排距為700 mm,內(nèi)側(cè)鋼管距充填體300 mm;鋼管混凝土支架上方依次為木墊板、十字鉸接頂梁和直接頂;在鋼管混凝土支架與鋼梁底部之間加200 mm×200 mm×200 mm木塊,頂板變形過程中,鋼管支架先插入底板,能通過木塊阻止鋼梁底部位移。

4.2 沿空留巷圍巖支護效果分析

為了驗證沿空留巷控制效果,對留巷中部頂板、底板和兩幫位移量,充填體側(cè)頂?shù)装逡平俊⒊涮顜妥冃我约颁摴芑炷林Ъ茉琢窟M行現(xiàn)場觀測。觀測結(jié)果表明,在工作面推進10 m時,留巷中部和充填體側(cè)的頂?shù)装逡平?、充填幫變形以及鋼管混凝土支架扎底量均較小,之后其變形量均逐漸增大。在工作面推進15～40 m內(nèi),鋼管混凝土支架扎底速率較大,這表明此階段支架對留巷頂板起主要承載作用,而在40 m之后扎底速率趨緩,此階段起充填體逐漸起主要承載作用,降低了扎底速度,直至80 m后趨于穩(wěn)定,最終扎底深度為285 mm。充填側(cè)頂?shù)装逦灰屏吭谕七M70 m后趨于穩(wěn)定,達490 mm,而其他圍巖位移量基本在60 m后即趨于穩(wěn)定。礦壓監(jiān)測結(jié)果表明,1126試驗留巷采用綜合控制新技術后,圍巖和支護系統(tǒng)均未發(fā)生大范圍破壞與損毀現(xiàn)象,實現(xiàn)了對深井大采高充填開采沿空留巷圍巖的有效控制。

5 結(jié) 論

(1)高預應力桁架錨索系統(tǒng)不僅能使得留巷頂板形成整體,有效控制兩幫上方頂板斷裂線發(fā)展,且還具有適應深部巷道圍巖控制的“先剛后柔再剛、先抗后讓再抗”的支護性能,其傾斜布置方式能顯著降低頂板彎曲變形中的剪切作用。

(2)研制了圓鋼管混凝土支架和充填體側(cè)鋼梁壓經(jīng)緯網(wǎng)的組合支架進行留巷巷旁支護,其在頂板變形過程中鋼管和混凝土經(jīng)歷獨立發(fā)揮作用、變形協(xié)調(diào)支護和鋼管對混凝土約束強化3個階段。

(3)提出了集高水材料充填體性能優(yōu)化、錨桿索聯(lián)合強力支護系統(tǒng)和鋼管混凝土組合支架于一體的綜合控制技術,有效改善了覆層結(jié)構(gòu)形態(tài)特征與圍巖應力狀態(tài),保障留巷大小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

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Surrounding rock control mechanism and its application of gob-side retaining entry in deep backfilling with large mining height

XIE Sheng-rong1,ZHANG Guang-chao1,HE Shang-sen1,SUN Yun-jiang1, LI Er-peng1,YANG Lü-gang2,XIE Guo-qiang3
(1.Faculty of Resource&Safety Engineering,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Jizhong Energy Group Co., Ltd.,Xingtai 054001,China;3.Xingdong Coal Mine,Jizhong Energy Group Co.,Ltd.,Xingtai 054021,China)

Based on the mining pressure phenomena,such as support system damage,that occurred in gob-side retaining entries of deep backfilling with large mining height,an integrated control technology consisting of high-water material filling body performance optimization,collaborative support system with powerful anchor and cable and combined steel-concrete brackets was put forward,and its mechanism was discussed.By means of different research methods,the mechanical performance of filling body,abutment pressure and mining pressure law were investigated with different material ratio programs.The research results show that group C2is more favor to form an integral stability balance structure of retaining entry in time.Besides,the combined point-line-surface support system composed of lower coal side height and high-strength anchor(cable)was proposed to guarantee the coal side stability that was the key support point to roof.Also,the collaborative support system with high pre-stressed and strength anchor(cable)and truss cablewas put forward to guarantee the integrity of the local structure.Furthermore,the combined brackets developed not only had advantages such as high load capacity,outstanding bending performance and plastic and toughness,but had some yield-pressure and anti-lateral pressure ability,which adapts the large deformation of deep retaining entry and improves the support performance of coal-side filling body well.With the application of integrated control technology,the field practice show that the obvious periodic mining pressure never occurred and the support system is avoided being bended and damaged.The roof-floor displacement in filling body side is almost 490 mm,which demonstrates an effective control of retaining entry surrounding rock in deep backfilling with large mining height.

changed filling body performance;powerful collaborative support;steel-concrete bracket

TD353

A

0253-9993(2014)12-2362-07

2014-01-18 責任編輯:常 琛

國家自然科學基金重點資助項目(51234005);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2010QZ06)

謝生榮(1981—),男,江蘇六合人,講師,博士。Tel:010-62339153,E-mail:xsrxcq@163.com

謝生榮,張廣超,何尚森,等.深部大采高充填開采沿空留巷圍巖控制機理及應用[J].煤炭學報,2014,39(12):2362-2368.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0095

Xie Shengrong,Zhang Guangchao,He Shangsen,et al.Surrounding rock control mechanism and its application of gob-side retaining entry in deep backfilling with large mining height[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2362-2368.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0095