李懷淵(山西汾西礦業(yè)集團 水峪煤業(yè),山西 孝義 032300)
綜放沿空留巷巷旁充填體設計研究
李懷淵
(山西汾西礦業(yè)集團 水峪煤業(yè),山西 孝義 032300)
為了確定深井綜放面沿空留巷巷旁支護體合理參數(shù),基于某礦2302工作面實際情況建立了數(shù)值分析模型,確定了能夠滿足2302工作面前期切頂、后期保持基本頂穩(wěn)定的支護體所需支護阻力,選擇了矸石膠結(jié)充填材料,確定了支護體的材料配比,并分析了不同充填體寬度下應力峰值、頂?shù)装逡平俊蓭鸵平康葏?shù),確定了合理支護體寬度為1.6 m. 現(xiàn)場使用效果表明,該支護體寬度的選擇能夠有效控制圍巖變形。
綜放沿空巷道;巷旁充填;矸石膠結(jié);支護阻力;充填體寬度
某礦2302工作面采用綜采放頂煤工藝,走向長2 570 m,傾向長258 m,采深810 m,煤厚9 m,傾角0~6°,平均3°,巷道斷面為矩形,凈寬4.5 m,凈高3.5 m,采用錨網(wǎng)帶索支護方式,并配錨桿錨索加強支護,煤容重為1.39 t/m3,根據(jù)工作面情況,沿空留巷模型見圖1. 煤層頂?shù)装鍘r性特征見表1.
圖1 沿空留巷平面示意圖
2.1巷旁充填體前期切頂阻力計算
巷旁填充體力學模型見圖2.
巷旁充填體前期需要一定的支護阻力來切斷直接頂,以使破碎的直接頂與煤壁共同支撐基本頂,考慮煤壁的支撐作用,前期巷旁充填體阻力計算公式[1,2]:
(1)
表1 頂?shù)装鍘r性特征表
圖2 力學模型圖
式中:
F1—前期巷旁支護阻力,N;
k—應力增高系數(shù),取1.7;
q—直接頂巖層荷載,q=γh(γ為直接頂容重,kN/m3,取25;h為直接頂厚度,m,取2.7);
M—直接頂巖層在煤壁前方彈塑性交界處的殘余彎矩;
a—巷道維護寬度,m,取4.5;
b—巷旁充填體寬度,m,取1.5;
x0—巷旁煤體塑性區(qū)寬度,m,取9.0;
σ—巷旁塑性區(qū)煤體對頂板的支撐強度,MPa,取2.33.
2.2后期保持基本頂穩(wěn)定的巷旁支護阻力計算
(2)
式中:
Tb=Lq0(h-ΔSc)/2
Ma、Mb—基本頂巖塊B兩端的殘余彎矩,取0;
Tb—基本頂巖體B受C的側(cè)向水平推力;
h—基本頂巖層厚度,m取4.1;
ΔSc—基本頂巖塊C的下沉量;
ΔSb—基本頂巖塊B右端的下沉量,取0;
q0—基本頂及上覆巖層的平均載荷,m,取4.1,埋深取810 m,根據(jù)公式q0=γh0算得,γ=25 kN/m3,h0=4.1+810=814.1 m;
L—基本頂巖塊B和巖塊C的長度,即基本頂周期來壓步距,算得16 m;
Nb—巖塊B對巖塊C的側(cè)向剪切力。
按以上參數(shù)帶入計算式,得到前期巷旁支護切頂阻力F1=7 560 kN/m,后期巷旁支護阻力F2=12 150 kN/m,充填體寬度按1.5 m計算,則前期巷旁支護強度5.1 MPa,后期巷旁支護強度8.1 MPa.
由文獻[3]可知,矸石膠結(jié)巷旁充填體初始強度可達5.6 MPa,后期強度達到14 MPa,能夠滿足支護體對支撐力的要求,同時由于其取材方便,采出的矸石不需要再運輸提升至地面,因此成本最低,所以最終選用矸石膠結(jié)充填工藝。
在矸石膠結(jié)充填成本中,水泥費用所占比例最大,因此在保證留巷安全的條件下,為節(jié)約成本,水泥的用量應該盡可能小,在矸石膠結(jié)充填材料中,水泥用量一般為材料總重量的3%~5%,此外,火山灰、粉煤灰、爐渣等也具有一定的膠結(jié)性能,可部分替代水泥,減少水泥消耗量,減低成本,這些材料還可以填充大塊骨料之間的間隙,增大充填密實度。
由于綜放面沿空留巷對充填體強度有較高的要求[4],而充填體強度又與骨料的顆粒度有直接聯(lián)系,骨料的顆粒度過大會導致料漿離析分層,從而巷旁充填體的密實度降低,導致巷旁充填效果差,除此之外,最大顆粒度應滿足充填系統(tǒng)輸送的需要,顆粒度過大會導致管道堵塞,據(jù)相關煤礦實踐生產(chǎn)經(jīng)驗,初步確定矸石粗細骨料配比,即-30 mm矸石集料:分級尾砂=50 μm,水泥消耗量190~210 kg/m3,粉煤灰∶水泥=1∶1.
據(jù)相關煤礦實踐生產(chǎn)經(jīng)驗,細骨料與粗骨料的比例要符合要求,即+5 mm粗骨料占比約為75%,-5 mm細骨料占比約為25%.
充填料漿的濃度對充填系統(tǒng)能否正常運行具有重要意義,在矸石膠結(jié)充填過程中,應該盡量采用較高濃度料漿充填,這樣既能提高充填體強度,又能減小料漿發(fā)生離析分層的可能性,還可以減少水泥用量以達到節(jié)約成本的目的。在已采用矸石膠結(jié)充填的礦井中,充填料漿的濃度可以達到90%.而充填料漿的濃度又不能過大,其濃度應該保證料漿具有良好的流動性,這樣才能夠在澆注時通過矸石間隙,提高巷旁充填體的密實度,與矸石形成一個致密的充填體。
巷旁充填采用矸石膠結(jié)材料,巷旁充填參數(shù)主要考慮充填體寬度,在此結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬軟件[5],提出5個充填體寬度對比方案,如下所示:
根據(jù)地質(zhì)條件,將模型劃分為7層,為模型簡化,采用0度建模,brick模型長寬高分別為260 m、300 m、150 m,巷道的寬和高分別為4.5 m、3.5 m,回風平巷的位置為x(0,260),y(270,274.5),z(38.5,47.5),充填體寬度為1.5 m,位于回風平巷采空區(qū)側(cè)。巖體力學參數(shù)表見表2.
表2 巖體力學參數(shù)表
具體模擬方案如下:
方案一:充填體寬度1.2 m
方案二:充填體寬度1.4 m
方案三:充填體寬度1.6 m
方案四:充填體寬度1.8 m
方案四:充填體寬度2.0 m
應力峰值見表3.
由表3可以看出,隨充填體寬度的增加,應力峰值不斷變大,變化倍數(shù)在不斷減小。
不同充填體寬度條件下2302工作面回風平巷巷道的頂板移近量、底板移近量、頂?shù)装逑鄬ξ灰屏恳姳?.
表3 不同充填體寬度條件下應力峰值表
表4 不同充填體寬度對頂?shù)装逡平康挠绊懬闆r表
由表4可以看出,充填體寬度從1.2 m變化到1.4 m,頂板移近量、底板移近量、頂?shù)装逑鄬σ平孔兓^為明顯,充填體寬度從1.4 m增加到1.6 m,頂板移近量、底板移近量、頂?shù)装逑鄬σ平孔兓草^為明顯,而從1.6 m變化到1.8 m以及從1.8 m增加到2.0 m時,變化不如前兩次明顯,證明充填體寬度的增大對巷道的支護作用不明顯。
不同充填體寬度條件下2302工作面回風平巷巷道的充填體幫移近量、實體煤幫移近量、兩幫相對移近量見表5.
表5 不同充填體寬度對兩幫移近量的影響情況表
由表5的數(shù)據(jù)可以看出,充填體寬度從1.2 m變化到1.4 m,充填體幫移近量、實體煤幫移近量、兩幫相對移近量變化較為明顯,充填體寬度從1.4 m增加到1.6 m,充填體幫移近量、實體煤幫移近量、兩幫相對移近量變化也較為明顯,而從1.6 m變化到1.8 m以及從1.8 m增加到2.0 m時,變化不如前兩次那么明顯,證明充填體寬度的增大對巷道的支護作用不明顯。
綜上分析,為了使2302工作面巷道位移盡可能小,并且減小材料與資金的消耗,充填體寬度取1.6 m最為合適。
目前,2302工作面已經(jīng)回采結(jié)束,留巷巷道沒有進行二次維護并且滿足工作面回采要求,現(xiàn)場測試工作面回采時巷道兩幫最大移近量為350 mm,巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?40 mm,沿空留巷取得成功。
現(xiàn)階段煤礦廣泛選用矸石膠結(jié)充填作為巷旁充填方式。本文對充填材料的制備與配比進行了分析,數(shù)值模擬了不同充填體寬度下留巷圍巖變形量,通過對得出的數(shù)據(jù)進行對比分析,并綜合考慮支護效果與資金消耗,確定了最佳充填體寬度取1.6 m,且現(xiàn)場使用效果表明,該支護體寬度的選擇能夠有效控制圍巖變化。
[1] 陳明陽.基于薄板理論的條帶充填寬度研究[J].能源技術與管理,2016(4):38-39.
[2] 柳宏儒.條帶充填法煤柱穩(wěn)定性影響因素數(shù)值模擬試驗研究[D].沈陽:東北大學,2008.
[3] 肖永生.粉煤灰充填材料管道輸送特性及其應用研究[D].太原:太原理工大學,2016.
[4] 張東升.繆協(xié)興.綜放沿空留巷充填體穩(wěn)定性控制[J].中國礦業(yè)大學學報,2003(3):52-54.
[5] 呂富強.動力擾動對充填體穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬研究[J].西部探礦工程,2016(10):53-55.
ResearchonDesignofFillingBodysbesideRoadwaysinFully-mechanizedCavingRoadway
LIHuaiyuan
The numerical analysis model was built based on the actual situation of 2302 working face. The gangue is chosen as backfill materials with cementation of other materials in a certain proportion. The reasonable supporting body width is 1.6 m. The result indicates that the width for backfill support control the deformation of surrounding rock effectively.
Fully-mechanized caving roadway; Roadside filling; Coal gangue; Supporting resistance; Filling belt width
·技術經(jīng)驗·
2017-08-03
李懷淵(1974—),男,山西平遙人,2015年畢業(yè)于太原理工大學,工程師,主要從事煤礦安監(jiān)工作,(E-mail)zfg3259@163.com
TD853.34
B
1672-0652(2017)10-0037-04