沿空留巷巷旁矸石墙力学特性研究

杨鹏飞　于跃　王玉凯(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)



沿空留巷巷旁矸石墙力学特性研究

杨鹏飞于跃王玉凯
(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

摘 要以某矿三槽西四壁(下)工作面轨道巷巷旁矸石墙为研究对象,对矸石墙的承载力和压缩量进行现场测试,分析其承载性能。结果表明:矸石墙承载力为6.7MPa,最大压缩量为140mm,与传统刚性支护相比,矸石墙让压变形特性明显;在滞后工作面35～45m的区域,矸石墙压缩量急剧增加。阐述了矸石墙的作用机理,并建立了顶板－矸石墙结构模型,当工程条件确定时,矸石墙所受压力和顶板下沉量存在定量关系。现场应用结果表明,沿空留巷矿压显现平稳,留巷效果较好。

关键词沿空留巷 矸石墙 承载力 力学特性

近年来,随着无煤柱护巷技术的发展,沿空留巷得到了长足发展和广泛应用。巷旁矸石墙支护理论的研究是沿空留巷技术的基础。目前,孙恒虎教授、郭育光教授等相关学者在巷旁支护理论方面进行了深入研究。但这些研究成果大多都是从整体支护体系及顶板运动的角度进行分析的,对于矸石墙的特性尚缺乏详细的研究。为此,本文提出了一种矸石墙承载力的测试方法,从而对矸石墙力学特性进行研究,并在此基础上构建了相应的顶板－巷旁

矸石墙支护结构模型,并根据现场应用的结果对沿空留巷效果进行了评价。

1　工程地质条件

某煤矿三槽西四壁(下)工作面标高为610～625m,地面标高为900～1100m,工作面走向长155m,倾向长68～85m,平均76m,煤层厚度1.0～2.5 m,平均厚度1.8 m,煤层走向50°～85°,平均70°,煤层倾角3°～20°,平均15°。煤层顶底板较为稳定,煤层顶底板岩性特征见表1。

表1　煤层顶底板岩性特征

西四壁(下)工作面正在回采,为了使其轨道巷保留并继续服务西四壁(上)工作面的开采,在西四壁(下)工作面采空区与轨道巷之间用矸石袋构筑宽度为1.5m的矸石墙。西四壁采区工作面平面布置见图1。

图1　工作面及测点布置平面图

2　矸石墙承载性能测试

为了研究矸石墙的承载特性及作用机理,对矸石墙的承载力和压缩量进行了现场实测分析。

2.1矸石墙承载力测试分析

国内外尚缺乏针对矸石墙承载力测试的现场试验,本文在底板比压测试原理的基础上,提出了一种矸石墙承载力的测试方法并设计了该测试系统。此系统如图2所示,系统包括单体液压支柱、测压表、带有焊接圆圈的钢板。利用该系统对西四壁(下)工作面轨道巷矸石墙承载力进行测试,首先将准备好的钢板放在堆砌的矸石墙上,将单体液压支柱安置在焊接好的圆圈内,然后对单体液压支柱补液,直至与顶板接触,使单体液压支柱具有一定的初撑力。待仪器安设好,记录压力表与压入深度的原始读数,再对单体液压支柱补液使其按一定增量伸长(每次递增20mm),并记录两次压力表与支柱伸长度的观测数据。

图2　矸石墙承载力测试系统示意图

矸石墙承载力和压缩量的变化曲线如图3所示。由图3可以看出,随着压缩量的增大,矸石墙承载力先增大后减小。峰值强度之前,承载力增长率逐渐增大,接近峰值强度时,增长率趋于平缓,峰值后,随压缩量增加,承载力逐渐减小。两次测试分别在矸石墙的压缩量达到180mm、120mm 时,承载力达到峰值6.5MPa、6.9MPa。取两次测量结果的平均值6.7 MPa表征矸石墙的极限承载力。与刚性支护的承载力相比,矸石墙的承载力较小,起到了让压的作用。

图3　矸石墙承载力的变化情况

2.2矸石墙压缩量测试分析

采空区顶板断裂后,维持巷道稳定的主要承载体仅为矸石墙,导致工作面后续推进过程中,矸石墙变形愈加严重。图4为工作面轨道巷矸石墙压缩量随西四壁(下)工作面推进变化情况。

图4　矸石墙压缩量随工作面推进变化情况

从图4可以看出,随着工作面的推进,矸石墙的压缩变化趋势可分为4个阶段:微量增加段、缓慢增加段、快速增加段、平稳不变段。微量增加段是在工作面后方10～20m处,矸石墙压缩量增加趋势较小,矸石压缩量不明显;缓慢增加段在工作面后方20～35 m处,矸石墙压缩量近似线性增加;快速增加段在工作面后方35m以外,岩层处于不稳定状态,运动较为剧烈,压缩量也急剧增加;平稳不变段:随着工作面的继续推进,压缩量继续增加,当压缩量达到140mm左右时,其压缩量开始保持不变进入平稳不变段。

随着工作面不断推进,矸石墙的变形量呈非线性快速增长趋势,与传统刚性支护效果相比,让压变形特性更加明显。另外,在滞后工作面35～45m的区域,矸石墙压缩量急剧增加,为避免矸石墙失去承载作用,需加大对此区域内矸石墙的维护。

3　沿空留巷矸石墙作用机理

3.1顶板－矸石墙相互作用机理

沿空留巷支护体系中,顶板－矸石墙相互作用充分发挥了矸石墙的柔性支护特点和顶板的自身承载能力。如图5所示,随着工作面的推进,顶板岩层运动主要发生3个阶段的变化,分别为垮落区形成阶段、基本顶破断阶段和错动离层带形成阶段。在顶板岩层运动的过程中,其自身形成了4个区域:I垮落区、II煤壁支撑区、III破断区、IV错动离层区。

(1)垮落区形成阶段。顶板在垮落区形成阶段以旋转下沉为主,来压强度较小,矸石墙在此阶段的承载力和压缩量均处于较低水平,锚杆起到了主要承载作用。矸石墙在此阶段虽然不是主要承载结构,但与锚杆共同作用承担巷道上方直接顶及其悬臂部分岩层的主要重量,缓解了巷内支护的压力,增加了直接顶的自稳能力。

(2)基本顶破断阶段。基本顶发生破断、失稳,回转下沉剧烈。在基本顶运动稳定之前,矸石墙应具有足够的可缩量以适应基本顶的回转,通过适当的下缩让压,充分发挥围岩的承载能力。同时,矸石墙还应具有足够的辅助支护阻力参与顶板运动及平衡,以缩短过渡期顶板剧烈活动的时间,避免留巷顶板下沉量过大。

(3)错动离层带形成阶段。基本顶已形成稳定结构,煤壁支撑区的承载应力逐渐增大,与矸石墙、巷旁辅助支护、巷内支护形成统一的支护体系,保证巷道围岩的稳定,此时,矸石墙的支护阻力为冒落带相应范围内岩层的重量,所以,矸石墙在保持巷内稳定仍然起到不可或缺的作用。

图5　顶板－矸石墙作用机理示意图

3.2顶板－矸石墙结构模型

随着回采工作面的推进,巷旁充填工程连续实施。矸石墙的承载作用与沿空留巷侧向顶板运移规律紧密联系。根据顶板－矸石墙相互作用机理建立顶板－矸石墙结构模型,如图6所示。由于矸石墙与直接顶在垂直方向相互作用,所以矸石墙与直接顶的垂直应力皆为σ。

图6　沿空留巷顶板－矸石墙结构模型示意图

根据顶板下沉的变形协调关系分析可得,基本顶下沉量计算:

基本顶断裂之后,矸石墙和直接顶在基本顶压力作用下下缩沉降,基本顶回转下沉,由此可知,基本顶下沉量由矸石墙下缩量、直接顶下缩量和矸石墙欠接顶高度组成。即:

式中:Δh——基本顶下沉量;

h——基本顶到底板的距离;

h1——基本顶回转后的触矸高度;

h2——矸石墙欠接顶高度;

b——矸石墙高度;

εa——矸石墙的纵向应变;

εb——直接顶的纵向应变;

m——割煤高度。

由广义胡克定律可知,矸石墙和直接顶的应力应变满足以下关系:

式中:Ea——矸石墙的弹性模量;

Eb——直接顶的弹性模量。

联立式(1)(2)(3)可得:

从式(4)可以看出,当现场工程条件确定时,矸石墙承载力的变化与顶板下沉量存在定量关系。

4　现场实测

本次现场实测选择＋570m水平六石门三槽西四壁(下)工作面的轨道巷作为矿压监测巷道,随着工作面的回采在轨道巷内采用矸石袋充填进行沿空留巷。轨道巷全长160m左右,共布设8个测区,从下壁面切眼开始每隔20m布置一个测区,编号依次为1、2、3…、8。具体布置情况如图1所示。

在1～8测区内布置顶底板移近量、两帮移近量测点,在2测区(A)、4测区(B)、6测区(C)布置顶板离层监测点及钻孔摄像测点。

监测结果表明顶底板移近量最大为115mm,两帮移近量最大为124 mm,顶板最大离层量为5mm,同时钻孔摄像结果表明顶板破裂带较少,说明在采动影响下沿空巷道整体矿压显现平稳,沿空留巷效果较好。

5　结论

(1)对矸石墙承载力进行测试,结果表明,矸石墙承载力为6.7MPa,与传统刚性支护相比,矸石墙起到了让压的作用。

(2)对矸石墙压缩量随工作面推进变化规律进行测试分析,结果表明在滞后工作面35～45 m 时,矸石墙压缩量开始急剧增加,为确定矸石墙的加强支护时机提供了数据参考;矸石墙最大压缩量达到了140mm,相比刚性支护,矸石墙支护具有较大的让压变形特性,表现出柔性支护的特点。

(3)建立顶板－矸石墙结构模型,给出了矸石墙承载力和顶板下沉量之间的定量关系。

(4)现场实测结果表明沿空留巷矿压显现平稳,顶板破裂带少,留巷效果较好。

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(责任编辑张毅玲)

Researchonmechanicalpropertiesofganguewallasidegob-sideentryretaining

YangPengfei,YuYue,WangYukai
(CollegeofResources&SafetyEngineering,ChinaUniversityofMining& Technology, Beijing,Haidian,Beijing100083,China)

AbstractTakingganguewallasidetracktransportationroadwayinlowerNo.4westworkingfaceofNo.3seaminacertainmineasstudyobject,thebearingcapacityandcompressionamountofganguewallweretestedonthesite,anditsload-carryingpropertieswasanalyzed.The resultsshowedthatthebearingcapacityofganguewallwas6.7MPa,thelargestcompressionamountwas140 mm,andcomparedwithtraditionalrigidsupporting,itsyieldingdeformation characteristicswerebetter;intheareabehindtheworkingface35～45m,thecompressionamountoftheganguewallsharplyincreased.Besides,thefunctionmechanismofganguewallwas expoundedandtheroof-ganguewallstructuremodelwasestablished.Whentheengineeringconditionsweredetermined,there wasaquantitativerelationshipbetweenthepressureonthe ganguewallandtheroofsubsidence.Fieldapplicationresultsshowedthatthestratabehaviorsin gob-sideentryretainingwerestableandtheeffectswerepreferable.

Keywordsgob-sideentryretaining,ganguewall,bearingcapacity,mechanicalproperties

中图分类号TD353

文献标识码A

作者简介:杨鹏飞(1989－),男,山东临沂人,博士研究生,主要从事充填开采与矿山压力方面的研究。