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        某礦沿空留巷高水充填體參數(shù)選擇研究

        2021-11-18 14:41:42
        現(xiàn)代礦業(yè) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:空留巷水灰比巖層

        余 洋

        (太原華潤(rùn)煤業(yè)有限公司)

        自上世紀(jì)50年代以來(lái),地下煤礦巷旁支護(hù)主要通過(guò)木垛、密集支柱等方式來(lái)實(shí)現(xiàn),而這些方法在應(yīng)用中卻暴露出很多缺陷,主要包括增阻速度慢、壓縮變形量大、工作強(qiáng)度大、支承性差等,達(dá)不到預(yù)期效果,還容易造成漏風(fēng)、自燃等問(wèn)題[1-5]。高水充填材料則集成了新興材料的所有性能優(yōu)勢(shì),不僅能克服傳統(tǒng)支護(hù)的所有不足,還實(shí)現(xiàn)了巷旁支護(hù)和密閉采空區(qū)的深層次融合,因此,無(wú)論是在技術(shù)還是在經(jīng)濟(jì)方面,都是較理想的解決方案[6-8]。

        某礦采礦工作面是比較常見(jiàn)的“U”型通風(fēng)系統(tǒng),經(jīng)實(shí)地勘察與深入研究后發(fā)現(xiàn),也存在瓦斯治理難度大、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題,并且應(yīng)力集中會(huì)對(duì)2#煤層開(kāi)采產(chǎn)生不利影響。而采用高水充填材料沿空留巷可形成“Y”型通風(fēng),也能將隅角瓦斯控制在要求范圍之內(nèi);同時(shí)也能撤出區(qū)段煤柱,實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)煤柱開(kāi)采,極大降低原有的不利影響。高水充填材料的選擇受多重因素的影響,充填體的相關(guān)參數(shù)以及材料的配比等是研究的重點(diǎn)方向。

        1 工作面概況

        10604工作面坐落于南六采區(qū)左翼,開(kāi)采2#煤層,煤層厚度最低為1.6 m,最高達(dá)2.47 m,其傾角最小為1°,最大為9°,地質(zhì)條件中等。10604軌道巷開(kāi)口于南六皮帶下山,巷道坡度為1°~11°,采用錨網(wǎng)梁+錨索聯(lián)合支護(hù),巷道凈寬、高分別為4.2和2.6 m,詳見(jiàn)圖1。

        對(duì)于沿空留巷巷旁充填材料選擇,一直是礦山亟需解決的問(wèn)題,若充填材料選擇不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致充填效果不佳,采空區(qū)的有毒有害氣體會(huì)逸散至工作面中。對(duì)充填材料的選擇,其核心在于掌握巷旁支護(hù)參數(shù)和充填材料的配比。

        2 沿空留巷巷旁支護(hù)參數(shù)

        研究表明,沿空留巷和采場(chǎng)存在很多共性特征,所以它們的礦壓機(jī)理也非常相近。不過(guò),它們?cè)谶吔缟蠀s存在本質(zhì)性差異,沿空留巷采用固定邊界,采場(chǎng)則采用移動(dòng)邊界[9]。隨著采煤工作面的不斷推進(jìn),在工作面下端頭處,形成“弧形三角板”,在此結(jié)構(gòu)下,其穩(wěn)定性也就成為了重點(diǎn)考慮因素,需要在這種結(jié)構(gòu)下完成巷旁早期支護(hù)參數(shù)計(jì)算。為保證計(jì)算結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性,需從多方面綜合考慮其極限狀況,并根據(jù)獲取到的參數(shù)值設(shè)計(jì)出相對(duì)應(yīng)的彈性基礎(chǔ)梁模型。與此同時(shí),在回采面持續(xù)推行的情況下,控頂范圍也會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大,導(dǎo)致頂板出現(xiàn)破斷,無(wú)法保持良好穩(wěn)定性。對(duì)于巷旁充填體來(lái)說(shuō),必須具備可達(dá)到極限彎矩的支護(hù)阻力。巷旁充填體受力模型見(jiàn)圖2。圖中α為煤層傾角,(°);c為巷道寬度,m;d為巷旁支護(hù)體寬度,m;Pq為切頂阻力,MN/m;ML為極限彎矩,Nm;M0為殘余彎矩,Nm;NC為C處采空區(qū)側(cè)受到的剪力,MPa,TC為C處沿巖層方向產(chǎn)生的推力,MN;NB為B處采空區(qū)側(cè)受到的剪力,MPa,TB為B處沿巖層方向產(chǎn)生的推力,MN;NA為A處采空區(qū)側(cè)受到的剪力,MPa,TA為A處沿巖層方向產(chǎn)生的推力,MN;q為基本頂及其上部軟弱巖層單位長(zhǎng)度的自重,MN/m;q0為直接頂單位長(zhǎng)度自重,MN/m;e為BC巖塊的長(zhǎng)度,m;x0為留設(shè)煤柱寬度,m。根據(jù)圖2,采用成熟的平衡法對(duì)AB、BC兩巖塊建立相適應(yīng)的力學(xué)方程,從徑向方向和切向方向,綜合分析了切頂卸壓的阻力:

        式中,h為基本頂巖層厚度,m;ΔSB為基本頂跨落前B端的下沉量,m,其表達(dá)式為ΔSC為基本頂跨落前C端的下沉量,m;e為BC巖塊的長(zhǎng)度,b為基本頂來(lái)壓步距,m;Lm為工作面長(zhǎng)度,m。

        2#煤層厚度平均為2.17 m,采高為2.6 m,工作面長(zhǎng)度為175 m,老頂周期來(lái)壓步距按10 m考慮,巷道最大埋深約為520 m,直接頂平均厚度為3.06 m,基本頂平均厚度為3.10 m,留巷后巷道寬度為4.2 m,上覆巖層容重為25 kN/m3,應(yīng)力集中系數(shù)為2.0,基本頂巖層抗拉強(qiáng)度為6.0 MPa,側(cè)壓系數(shù)為0.4,煤層黏聚力為1.6 MPa,內(nèi)摩擦角為24°,一次采煤幫采用錨桿支護(hù),其支護(hù)阻力按0.10 MPa考慮,煤層平均傾角按4°考慮。將上述參數(shù)代入計(jì)算式,得到10604軌道巷充填體的切頂阻力為20.42 MN/m。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí),充填體平均強(qiáng)度按10 MPa考慮,計(jì)算所需的充填體寬度理論計(jì)算值為2.04 m。

        根據(jù)計(jì)算數(shù)值,結(jié)合長(zhǎng)期積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),并從安全等角度考慮,將充填體全部置于采空區(qū),留巷寬度為4.2 m,充填體寬和高分別設(shè)定為2.2和2.6 m。

        此種留巷方式是工程師們最新提出的一種充填體加固方案,集成了多重優(yōu)勢(shì)為一身,具體表現(xiàn)為增強(qiáng)了承載能力和抗變形能力,達(dá)到了沿空留巷要求,從整體上保證了工作面的安全性和穩(wěn)定性。但是對(duì)于切頂卸壓過(guò)程中使用的高水充填材料,需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。

        3 高水充填材料配比選擇

        根據(jù)前述對(duì)10604巷道的巷旁支護(hù)參數(shù)的計(jì)算,并結(jié)合10604巷道的實(shí)際情況,對(duì)不同水灰比條件下高水充填材料的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn),選擇最優(yōu)的高水充填材料配比。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在水灰比W/C=(1.3∶1)~(3∶1)時(shí),高水充填材料無(wú)需太長(zhǎng)時(shí)間就能達(dá)到凝結(jié)狀態(tài)。高水充填材料由兩部分構(gòu)成,一是甲料,二是乙料,分別按1∶1進(jìn)行配比。這2種材料分別與水混合,24 h不凝結(jié),從而防止了堵塞,省去了沖洗管路的麻煩。但是只要這2種材料相混合,就會(huì)立即凝結(jié)并逐漸硬化。整體來(lái)看,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不僅能明確抗壓強(qiáng)度與水灰比的影響關(guān)系,還能選擇高水充填材料的最優(yōu)配比。下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)抗壓強(qiáng)度與水灰比的影響關(guān)系進(jìn)行分析,以此來(lái)選擇最優(yōu)的高水充填材料配比。

        3.1 抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系

        如圖3所示,抗壓強(qiáng)度與水灰比呈顯著反關(guān)聯(lián),即只要水灰比足夠小,強(qiáng)度就會(huì)急劇增大,使用的充填材料越多,充填體的強(qiáng)度就越能滿足要求,反之則不能取得理想強(qiáng)度。當(dāng)水灰比W/C=0.5∶1~0.75∶1時(shí),這種新材料的抗壓強(qiáng)度超過(guò)了30~50 MPa。由此可以看出,只需科學(xué)調(diào)整水灰比,就能實(shí)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度的本質(zhì)性改善,進(jìn)而能適用各種工程需要。

        3.2 高水充填材料的變形性能

        通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在水灰比為1.5∶1時(shí),這種材料在凝結(jié)7 d后發(fā)生明顯形變變化,其塑性特征極其突出,即便達(dá)到最高載荷水平,仍保持一定的承載能力。當(dāng)應(yīng)變持續(xù)增大時(shí),承載能力出現(xiàn)了下降之勢(shì)。與普通材料相比,這種材料的承載能力下降更慢一些。整體來(lái)看,在此配比工況下,這種材料的峰值抗壓強(qiáng)度達(dá)到了10.4 MPa,當(dāng)應(yīng)變超過(guò)10%時(shí),其抗壓強(qiáng)度仍穩(wěn)定在65%以上,應(yīng)變達(dá)到18%時(shí),殘余強(qiáng)度則降為59%。

        通過(guò)上述分析表明,高水充填材料充填體的塑性優(yōu)勢(shì)很強(qiáng),即便承受不斷增大的壓力,也能滿足塑性變形要求,而且強(qiáng)度衰減慢,可確保殘余強(qiáng)度在要求范圍之內(nèi)。

        4 結(jié)語(yǔ)

        (1)從工程實(shí)際出發(fā),結(jié)合常年積累的工作經(jīng)驗(yàn),基于多方面考慮與分析后,將充填體全部置于采空區(qū),理論計(jì)算得留巷寬度為4.2 m,充填體寬和高分別設(shè)定為2.2和2.6 m。

        (2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出,高水充填材料的最優(yōu)配比為1.5∶1。此配比下,高水充填材料充填體的塑性特征極其顯著,即便承受不斷增大的壓力,也能滿足塑性變形要求,而且強(qiáng)度衰減慢,可確保殘余強(qiáng)度在要求范圍之內(nèi)。

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