沿空留巷巷旁矸石墻力學(xué)特性研究
相關(guān)鏈接： 中國(guó)安全網(wǎng) 中國(guó)質(zhì)量網(wǎng) 中國(guó)論文網(wǎng) 中國(guó)資訊網(wǎng)
楊鵬飛 于 躍 王玉凱
（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）
摘要 以某礦三槽西四壁（下）工作面軌道巷巷旁矸石墻為研究對(duì)象，對(duì)矸石墻的承
載力和壓縮量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析其承載性能。結(jié)果表明：矸石墻承栽力為6.7 M Pa，最大壓縮量為140 mm，與傳統(tǒng)剛性支護(hù)相比，矸石墻讓壓變形特性明顯；在滯后工作面35～45 m的區(qū)域，矸石墻壓縮量急劇增加。闡述了矸石墻的作用機(jī)理，并建立了頂板一矸石墻結(jié)構(gòu)模型，當(dāng)工程條件確定時(shí)，矸石墻所受壓力和頂板下沉量存在定量關(guān)系�，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，沿空留巷礦壓顯現(xiàn)平穩(wěn)，留巷效果較好。
關(guān)鍵詞 沿空留巷 矸石墻 承載力 力學(xué)特性 中圖分類號(hào) TD353
近年來(lái)，隨著無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)的發(fā)展，沿空留巷得到了長(zhǎng)足發(fā)展和廣泛應(yīng)用。巷旁矸石墻支護(hù)理論的研究是沿空留巷技術(shù)的基礎(chǔ)。目前，孫恒虎教授、郭育光教授等相關(guān)學(xué)者在巷旁支護(hù)理論方面進(jìn)行了深入研究。但這些研究成果大多都是從整體支護(hù)體系及頂板運(yùn)動(dòng)的角度進(jìn)行分析的，對(duì)于矸石墻的特性尚缺乏詳細(xì)的研究。為此，本文提出了一種矸石墻承載力的測(cè)試方法，從而對(duì)矸石墻力學(xué)特性進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了相應(yīng)的頂板一巷旁矸石墻支護(hù)結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的結(jié)果對(duì)沿空留巷效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
1 工程地質(zhì)條件
某煤礦三槽西四壁（下）工作面標(biāo)高為610～625 m，地面標(biāo)高為900～1100 m，工作面走向長(zhǎng)155 m，傾向長(zhǎng)68～85 m，平均76 m，煤層厚度1.0～2.5 m，平均厚度1.8 m，煤層走向500～850，平均700，煤層傾角30～200，平均150。煤層頂?shù)装遢^為穩(wěn)定，煤層頂?shù)装鍘r性特征見(jiàn)表1。
西四壁（下）工作面正在回采，為了使其軌道巷保留并繼續(xù)服務(wù)西四壁（上）工作面的開(kāi)采，在西四壁（下）工作面采空區(qū)與軌道巷之間用矸石袋構(gòu)筑寬度為1.5 m的矸石墻。西四壁采區(qū)工作面平面布置見(jiàn)圖1。
2 矸石墻承載性能測(cè)試
為了研究矸石墻的承載特性及作用機(jī)理，對(duì)矸石墻的承載力和壓縮量進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)析。
2.1矸石墻承載力測(cè)試分析
國(guó)內(nèi)外尚缺乏針對(duì)矸石墻承載力測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，本文在底板比壓測(cè)試原理的基礎(chǔ)上，提出了一種矸石墻承載力的測(cè)試方法并設(shè)計(jì)了該測(cè)試系統(tǒng)。此系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)包括單體液壓支柱、測(cè)壓表、帶有焊接圓圈的鋼板。利用該系統(tǒng)對(duì)西四壁（下）工作面軌道巷矸石墻承載力進(jìn)行測(cè)試，首先將準(zhǔn)備好的鋼板放在堆砌的矸石墻上，將單體液壓支柱安置在焊接好的圓圈內(nèi)，然后對(duì)單體液壓支柱補(bǔ)液，直至與頂板接觸，使單體液壓支柱具有一定的初撐力。待儀器安設(shè)好，記錄壓力表與壓入深度的原始讀數(shù)，再對(duì)單體液壓支柱補(bǔ)液使其按一定增量伸長(zhǎng)（每次遞增20 mm），并記錄兩次壓力表與支柱伸長(zhǎng)度的觀測(cè)數(shù)據(jù)。
矸石墻承載力和壓縮量的變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，隨著壓縮量的增大，矸石墻承載力先增大后減小。峰值強(qiáng)度之前，承載力增長(zhǎng)率逐漸增大，接近峰值強(qiáng)度時(shí)，增長(zhǎng)率趨于平緩，峰值后，隨壓縮量增加，承載力逐漸減小。兩次測(cè)試分別在矸石墻的壓縮量達(dá)到180 mm、120 mm時(shí)，承載力達(dá)到峰值6.5 M Pa、6.9 M Pa。取兩次測(cè)量結(jié)果的平均值6.7 M Pa表征矸石墻的極限承載力。與剛性支護(hù)的承載力相比，矸石墻的承載力較小，起到了讓壓的作用。
2.2 矸石墻壓縮量測(cè)試分析
采空區(qū)頂板斷裂后，維持巷道穩(wěn)定的主要承載體僅為矸石墻，導(dǎo)致工作而后續(xù)推進(jìn)過(guò)程中，矸石墻變形愈加嚴(yán)重。圖4為工作面軌道巷矸石墻壓縮量隨西四壁（下）工作面推進(jìn)變化情況。
從圖4可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，矸石墻的壓縮變化趨勢(shì)可分為4個(gè)階段：微量增加段、緩慢增加段、快速增加段、平穩(wěn)不變段。微量增加段是在工作面后方10～20 m處，矸石墻壓縮量增加趨勢(shì)較小，矸石壓縮量不明顯；緩慢增加段在工作面后方20～35 m處，矸石墻壓縮量近似線性增加；快速增加段在工作面后方35 m以外，巖層處于不穩(wěn)定狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)較為劇烈，壓縮量也急劇增加；平穩(wěn)不變段：隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，壓縮量繼續(xù)增加，當(dāng)壓縮量達(dá)到140 mm左右時(shí)，其壓縮量開(kāi)始保持不變進(jìn)入平穩(wěn)不變段。
隨著工作面不斷推進(jìn)，矸石墻的變形量呈非線性快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，與傳統(tǒng)剛性支護(hù)效果相比，讓壓變形特性更加明顯。另外，在滯后工作面35～45 m的區(qū)域，矸石墻壓縮量急劇增加，為避免矸石墻失去承載作用，需加大對(duì)此區(qū)域內(nèi)矸石墻的維護(hù)。
3沿空留巷矸石墻作用機(jī)理
3.1 頂板一矸石墻相互作用機(jī)理
沿空留巷支護(hù)體系中，頂板一矸石墻相互作用充分發(fā)揮了矸石墻的柔性支護(hù)特點(diǎn)和頂板的自身承載能力。如圖5所示，隨著工作面的推進(jìn)，頂板巖層運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生3個(gè)階段的變化，分別為垮落區(qū)形成階段、基本頂破斷階段和錯(cuò)動(dòng)離層帶形成階段。在頂板巖層運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，其自身形成了4個(gè)區(qū)城：I垮落區(qū)、II煤壁支撐區(qū)、III破斷區(qū)、IV錯(cuò)動(dòng)離層區(qū)。
(1)垮落區(qū)形成階段。頂板在垮落區(qū)形成階段以旋轉(zhuǎn)下沉為主，來(lái)壓強(qiáng)度較小，矸石墻在此階段的承載力和壓縮量均處于較低水平，錨桿起到了主要承載作用。矸石墻在此階段雖然不是主要承載結(jié)構(gòu)，但與錨桿共同作用承擔(dān)巷道上方直接頂及其懸臂部分巖層的主要重量，緩解了巷內(nèi)支護(hù)的壓力，增加了直接頂?shù)淖苑�(wěn)能力。
(2)基本頂破斷階段�；卷敯l(fā)生破斷、失穩(wěn)，回轉(zhuǎn)下沉劇烈。在基本頂運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定之前，矸石墻應(yīng)具有足夠的可縮量以適應(yīng)基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)，通過(guò)適當(dāng)?shù)南驴s讓壓，充分發(fā)揮圍巖的承載能力。同時(shí)，矸石墻還應(yīng)具有足夠的輔助支護(hù)阻力參與頂板運(yùn)動(dòng)及平衡，以縮短過(guò)渡期頂板劇烈活動(dòng)的時(shí)間，避免留巷頂板下沉量過(guò)大。
(3)錯(cuò)動(dòng)離層帶形成階段�；卷斠研纬煞�(wěn)定結(jié)構(gòu)，煤壁支撐區(qū)的承載應(yīng)力逐漸增大，與矸石墻、巷旁輔助支護(hù)、巷內(nèi)支護(hù)形成統(tǒng)一的支護(hù)體系，保證巷道圍巖的穩(wěn)定，此時(shí)，矸石墻的支護(hù)阻力為冒落帶相應(yīng)范圍內(nèi)巖層的重量，所以，矸石墻在保持巷內(nèi)穩(wěn)定仍然起到不可或缺的作用。
3.2 頂板一矸石墻結(jié)構(gòu)模型
隨著回采工作面的推進(jìn)，巷旁充填工程連續(xù)實(shí)施。矸石墻的承載作用與沿空留巷側(cè)向頂板運(yùn)移規(guī)律緊密聯(lián)系，根據(jù)頂板一矸石墻相互作用機(jī)理建立頂板一矸石墻結(jié)構(gòu)模型，如圖6所示。由于矸石墻與直接頂在垂直方向相互作用，所以矸石墻與直接頂?shù)拇怪睉?yīng)力皆為Ó。
根據(jù)頂板下沉的變形協(xié)調(diào)關(guān)系分析可得，基本頂下沉量計(jì)算：
基本頂斷裂之后，矸石墻和直接頂在基本頂壓力作用下下縮沉降，基本頂回轉(zhuǎn)下沉，由此可知，基本頂下沉量由矸石墻下縮量、直接頂下縮量和矸石墻欠接頂高度組成。即：
由廣義胡克定律可知，矸石墻和直接頂?shù)膽?yīng)力應(yīng)變滿足以下關(guān)系：
從式(4)可以看出，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工程條件確定時(shí)，矸石墻承載力的變化與頂板下沉量存在定量關(guān)系。
4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)
本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)選擇+570 m水平六石門三槽西四壁（下）工作面的軌道巷作為礦壓監(jiān)測(cè)巷道，隨著工作面的回采在軌道巷內(nèi)采用矸石袋充填進(jìn)行沿空留巷。軌道巷全長(zhǎng)160 m左右，共布設(shè)8個(gè)測(cè)區(qū)，從下壁面切眼開(kāi)始每隔20 m布置一個(gè)測(cè)區(qū)，編號(hào)依次為l、2、3…、8。具體布置情況如圖l所示。
在1～8測(cè)區(qū)內(nèi)布置頂?shù)装逡平俊蓭鸵平繙y(cè)點(diǎn)，在2測(cè)區(qū)(A)、4測(cè)區(qū)(B)、6測(cè)區(qū)(C)布置頂板離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)及鉆孔攝像測(cè)點(diǎn)。
監(jiān)測(cè)結(jié)果表明頂?shù)装逡平孔畲鬄?15 mm．兩幫移近量最大為124 mm，頂板最大離層量為5 mm，同時(shí)鉆孔攝像結(jié)果表明頂板破裂帶較少，說(shuō)明在采動(dòng)影響下沿空巷道整體礦壓顯現(xiàn)平穩(wěn)，沿空留巷效果較好。
5 結(jié)論
(1)對(duì)矸石墻承載力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，矸石墻承載力為6.7 M Pa，與傳統(tǒng)剛性支護(hù)相比，矸石墻起到了讓壓的作用。
(2)對(duì)矸石墻壓縮量隨工作面推進(jìn)變化規(guī)律進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果表明在滯后工作面35～45 m時(shí)，矸石墻壓縮量開(kāi)始急劇增加，為確定矸石墻的加強(qiáng)支護(hù)時(shí)機(jī)提供了數(shù)據(jù)參考；矸石墻最大壓縮量達(dá)到了140 mm，相比剛性支護(hù)，矸石墻支護(hù)具有較大的讓壓變形特性，表現(xiàn)出柔性支護(hù)的特點(diǎn)。
(3)建立頂板一矸石墻結(jié)構(gòu)模型，給出了矸石墻承載力和頂板下沉量之間的定量關(guān)系。
(4)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明沿空留巷礦壓顯現(xiàn)平穩(wěn)，頂板破裂帶少，留巷效果較好。
下一篇:返回列表
