李 云

(山西晉城煤業(yè)集團 寺河煤礦，山西 晉城 048019)

·試驗研究·

巷式充填開采充填體合理強度研究

李 云

(山西晉城煤業(yè)集團 寺河煤礦，山西 晉城 048019)

以寺河煤礦二號井巷式充填開采為工程背景，采用理論計算和數(shù)值模擬的方法，分析合理充填體強度。理論計算得出，充填體合理強度6.67 MPa. 數(shù)值模擬以隔離煤柱垂直應(yīng)力和充填體上方頂板下沉量為依據(jù)，模擬結(jié)果得出充填體合理強度應(yīng)為0.6～0.8倍的煤體強度，即6～8 MPa，兩種方法得到的結(jié)果相近，因此設(shè)計充填體強度為6～8 MPa.

巷式充填開采；充填體；合理強度；隔離煤柱；煤體強度

巷式充填開采相對于長壁充填開采來說，具有一次揭露頂板面積小，頂板來壓不明顯，覆巖離層小，地表下沉量小等優(yōu)勢[1-2]. 我國許多學(xué)者對此進行了大量研究，周華強、許家林[3-5]在條帶開采的基礎(chǔ)上提出了短壁間隔條帶充填法，采用部分充填的方式隔一個工作面充填一個工作面，相鄰兩短壁工作面間留設(shè)窄煤柱，該方式較條帶開采相比在提高煤炭采出率的同時也降低了充填開采成本；邢東煤礦[6]、峰峰集團羊東煤礦[7]開展了矸石巷式充填開采，該方式與短壁間隔條帶充填法的主要區(qū)別在于進行采煤作業(yè)的采場巷道和被滯留保護煤柱的尺寸均較小，以連采機為主的采煤方式實現(xiàn)采場巷道以掘代采，隨采隨充，形成充填體和隔離煤柱的復(fù)合頂板支撐結(jié)構(gòu)。此外，在王臺鋪煤礦[8]、公格營子煤礦[9]開展的短壁巷式全采全充技術(shù)，可實現(xiàn)對整個區(qū)段煤炭資源的回收，最終形成以充填體為主的覆巖支撐體系，在保證地面構(gòu)筑物安全的同時，極大地提高了資源回收率。巷式充填開采當中充填體強度是一個關(guān)鍵因素，強度過大，材料成本提高；強度過小，隔離煤柱受力大，不利于第二階段的回采和控制地表下沉。本文將以寺河煤礦二號井巷式充填開采為工程背景，研究充填體合理強度。

1 工程概況

寺河煤礦二號井152302工作面開采15#煤，煤層厚度1.5 m，平均埋深231 m，工作面走向長度788.6 m，傾向長度180 m.

工作面布置方式見圖1. 采用似膏體巷式充填采煤工藝，具體如下：

1) 自切眼中部起沿煤層走向開掘一條采場支巷，貫通1523021輔助巷，將區(qū)段煤體劃分為兩部分，支巷作為整個區(qū)段的集中運輸巷。

2) 將采場支巷兩側(cè)的煤體劃分成尺寸固定的采場巷道，根據(jù)現(xiàn)場實際，采場巷道寬度6 m，高度等于煤厚，采場巷道與支巷之間夾角55°～60°，方便連采機等機械行進。

3) 第一階段，采用連采機割煤、梭車等先掘出一條采場巷道，留設(shè)6 m寬的隔離煤柱，在進行下一條采場巷道的掘進的同時，對上一條采場巷道進行回填作業(yè)，第一階段結(jié)束之后，工作面煤體形成“充填體—隔離煤柱—充填體”形式。

4) 第二階段，對第一階段遺留隔離煤柱回收，與第一階段相似，在進行第二條隔離煤柱回收的同時對第一條隔離煤柱回收形成的空巷進行充填。

圖1 巷式充填開采巷道布置圖

2 充填體合理強度理論計算

巷式充填開采分為兩個階段，兩個階段充填體受力形式有明顯的不同，應(yīng)分別對其求解。

第一階段可視為短壁間隔條帶充填，為簡化計算，假設(shè)各充填體強度相等并承擔相同的載荷，充填體載荷僅考慮覆巖自重應(yīng)力場，上方覆巖重量全部轉(zhuǎn)移到充填體及所留設(shè)煤柱上，充填體承受的載荷可由式(1)計算：

(1)

式中：

σV—充填體載荷，MPa；

γ—覆巖容重，kN/m3；

h—采深，m；

a—煤柱寬度，m；

b—充填寬度，m；

c—未充填寬度，m.

第二階段結(jié)束之后將形成以充填體為主體的支承體系。為簡化計算，按全部充填法對充填體強度進行初算。托馬斯等利用巖土力學(xué)中的極限平衡分析方法，通過對充填體的三維楔體穩(wěn)定分析，提出確定膠結(jié)充填體強度的一種方法，計算見公式(2)：

(2)

式中：

σC—充填體強度，MPa；

γ—充填體容重，kN/m3，取25；

h—充填體高度，m，取231；

l—充填步距，m，b=a=l，取6.

代入相關(guān)數(shù)據(jù)：

按照式(1)和式(2)分別計算，得到充填體強度分別為5.8 MPa和6.7 MPa，取較大值作為設(shè)計依據(jù)。

3 充填體合理強度數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

根據(jù)該礦152302工作面實際情況建立數(shù)值計算模型。模型劃分為15層，頂部取 12 層巖層，底部取2層巖層，模型長120 m×寬60 m×高56 m. 模型共劃分有190 800個單元體，202 554個網(wǎng)格節(jié)點，見圖2. 模型頂部邊界施加上覆巖層自重產(chǎn)生的等效載荷，前后、左右施加由自重應(yīng)力產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力。該模型選用莫爾—庫侖屈服準則進行計算。煤巖層力學(xué)參數(shù)見表1.

圖2 數(shù)值計算模型圖

采充方式按照巷式充填開采工藝進行，即巷道開挖后經(jīng)過一定的步數(shù)運算立即進行回填，同時進行下一條巷道的開挖，布置頂?shù)装逦灰茰y線，隔離煤柱應(yīng)力測點，見圖3.

表1 巖性參數(shù)表

圖3 位移及應(yīng)力測點布置圖

3.2 隔離煤柱垂直應(yīng)力

針對第一階段，分別模擬充填體強度為0.2倍、0.4倍、0.6倍、0.8倍、1.0倍煤體強度時，隔離煤柱垂直應(yīng)力大小。其關(guān)系曲線見圖4.

從圖4可以看出，隨著充填體強度的增加，隔離煤柱垂直應(yīng)力逐漸降低，充填體強度從0.2倍煤體強度增加到0.6倍煤體強度過程中，隔離煤柱垂直應(yīng)力減小較為明顯；當充填強度由0.6倍煤體強度增至0.8倍煤體強度，煤柱垂直應(yīng)力減小的速率明顯變緩；當充填強度由0.8倍煤體強度增至1.0倍煤體強度，煤柱垂直應(yīng)力幾乎不變。其原因是隨充填體強度增大，其彈性模量逐漸提高，充填體自身吸收和轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力的能力也逐漸增強，覆層載荷以及采掘活動引起的圍巖附加應(yīng)力通過充填體吸收、轉(zhuǎn)移，隔離煤柱應(yīng)力集中程度隨即降低，但充填體的應(yīng)力吸收和轉(zhuǎn)移的“能力”有限，當充填體達到一定強度，繼續(xù)提高充填體強度對充填效果改善不明顯，并且會顯著增加材料成本。

圖4 隔離煤柱垂直應(yīng)力與充填體強度關(guān)系曲線圖

3.3 充填體上方頂板下沉量

針對第一階段和第二階段，分別模擬充填體強度為0.2倍、0.4倍、0.6倍、0.8倍、1.0倍煤體強度時，充填體上方頂板下沉量。其關(guān)系曲線見圖5.

圖5 頂板下沉量與充填體強度關(guān)系曲線圖

第一采充階段結(jié)束以后，充填體及隔離煤柱上方頂板發(fā)生下沉，隔離煤柱仍然為承載主體，充填體上方下沉量大于隔離煤柱上方下沉量，由圖5a)可以看出，隨充填體強度逐漸增加，充填體上方的頂板下沉量逐漸降低，當充填體強度為0.6～0.8倍煤體強度時，煤層頂板的最大下沉值為24.8～23.2 mm，此后隨著充填體強度的提高，頂板最大下沉量的下降幅度逐漸減小，說明當充填體強度達到0.6～0.8倍煤體強度時，繼續(xù)增加充填體強度對覆巖下沉控制效果不明顯。

第二采充階段隔離煤柱采出，充填體作為主體承載結(jié)構(gòu)，由圖5b)可以看出，充填體上方頂板下沉量隨著充填體強度增加而逐漸降低，當充填體強度為0.6～0.8倍煤體強度時，煤層頂板的最大下沉值為 47.88～43.3 mm，此后隨著充填體強度的提高頂板最大下沉值的降低速率趨于平緩，頂板下沉控制效果變化不明顯。因此，綜合充填材料成本和充填效果，確定充填體合理強度為0.6～0.8倍煤體強度。

4 結(jié) 論

1) 理論計算得出，兩個階段合理充填體強度分別為5.8 MPa和6.7 MPa，取其較大值6.7 MPa.

2) 數(shù)值模擬以第一階段隔離煤柱垂直應(yīng)力和兩個階段頂板下沉量為指標，模擬了不同充填體強度下變化曲線，得出充填體強度大于0.6～0.8倍煤體強度以后，其變化速率明顯下降，得出充填體合理強度應(yīng)為0.6～0.8倍煤體強度，即6～8 MPa，與理論計算結(jié)果相近，可以作為設(shè)計依據(jù)。

[1] 呂文玉.河流下條帶充填開采可行性分析[J].煤礦安全，2013(11)：201-203.

[2] 李家卓，馬學(xué)民，吳志堅，等.矸石充填置換條帶遺留煤柱技術(shù)[J].煤礦安全，2013(11)：94-97.

[3] 許家林，尤 琪，朱衛(wèi)兵，等.條帶充填控制開采沉陷的理論研究[J].煤炭學(xué)報，2007，32(2)：119-122.

[4] 許家林，錢鳴高，朱衛(wèi)兵，等.覆巖主關(guān)鍵層對地表下沉動態(tài)的影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(5)：787-791.

[5] 翟群迪，周華強，侯朝炯.煤礦膏體充填開采工藝的探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2004，32(10)：67-69.

[6] 劉鵬亮.邢東礦充填巷式開采數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測研究[D].北京:煤科總院北京開采所，2007.

[7] 謝德瑜.建筑物下矸石充填巷式開采技術(shù)研究[J].煤炭工程，2011(9)：31-33.

[8] 顏丙雙.王臺鋪煤礦高水材料巷柱式采煤充填技術(shù)研究[D].北京：煤科總院開采設(shè)計研究分院，2013.

[9] 黃玉誠，武 洋，常 軍.似膏體巷式充填采煤技術(shù)及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42(1)：37-39.

StudyonReasonableStrengthofFillingBodyforRoadwayFillingMining

LIYun

Takes practice of backfilling in Sihe coal mine as engineering research object, theoretical calculations and numerical simulation are used to analyze the reasonable strength of filling body. It calculated 6.67 MPa theoretically for filling body, and numerical simulation obtained that the reasonable strength of filling body is 0.6～0.8 times coal strength, that is 6～8 MPa. Numerical simulation is based on the vertical stress of shielding pillar and roof subsidence above filling body, the two results are very closer, so the filling body strength is defined as 6～8 MPa.

Roadway filling mining; Filling body; Reasonable strength; Isolation pillar; Coal strength

TD823.7

：B

：1672-0652(2017)07-0014-04

2017-06-08

李 云(1987—)，男，山西晉城人，2013年畢業(yè)于黑龍江科技大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作(E-mail)liuchengwei0128@163.com