CN103573273B - 沿空留巷巷旁柔强双层复合支护高强材料适宜性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沿空留巷巷旁柔强双层复合支护高强材料适宜性评价方法，所述的柔强双层复合支护由上下两层充填体组合而成，上层充填体采用柔性材料，下层充填体采用高强材料，下层高强材料适宜性评价方法是以巷道允许变形量为依据，结合充填体压缩量与矸石压缩量协调变形来确定采空区矸石压缩系数，以高强充填材料与采空区矸石压缩性能确定充填体承载力，进而获得高强充填材料所需抗压强度，用预选的高强材料实际抗压强度与获得的高强充填材料所需抗压强度进行比较，从而对预选的高强材料适宜性进行评价。本发明评价方法充分考虑高强充填材料与采空区矸石承载性能，克服了以往忽略采空区矸石压缩量对其承载能力影响的不足。

Description

沿空留巷巷旁柔强双层复合支护高强材料适宜性评价方法

技术领域

本发明涉及一种沿空留巷巷旁柔强双层复合支护高强材料强度确定方法，属于矿井采空区巷旁支护技术领域。

背景技术

沿空留巷是一种无煤柱开采技术，具有缓解采煤工作面接续紧张，显著提高煤炭资源回收率，有效延长矿井服务年限等优点，其中巷旁支护是沿空留巷成功与否的关键技术。目前国内外沿空留巷巷旁支护类型主要为人工砌矸石带等巷旁柔性充填体承载、充填刚性材料的巷旁刚性充填体承载以及巷旁分级充填分段承载三种方式。与本发明有关的技术是巷旁分级充填分段承载方式，它是一种柔强双层复合支护结构，由上下两层充填体组合而成，上层采用柔性充填材料，下层采用高强材料。

巷旁充填体抗压强度是进行巷旁支护的重要参数，也是评价所选取的充填材料是否适宜的关键因素，对留巷效果起决定作用，并对沿空留巷的经济效益产生重要影响。巷旁充填体抗压强度主要来源于下层高强材料，如果充填体强度过小，充填体在顶板压力的作用下破坏，将使围岩变形失去控制，导致留巷失败；充填体强度过大，虽然能保证留巷效果，但充填材料的成本将大幅提高，经济效益较差。

目前，确定巷旁充填体强度的方法多是针对前两种巷旁支护方式来设计，采用这些方法对巷旁分级充填分段承载方式时充填体强度进行设计的缺陷是：将上下两层充填体作为一个同等性能的整体来计算，并没有考虑柔性充填体的早期让压作用，认为充填体一直处于“限定变形”工作状态；并没有考虑充填体与采空区矸石承载性能的变化，忽略了充填体与矸石承载力与其压缩量的定量关系。因此，所确定的巷旁充填体强度并不准确，一般情况下远大于巷旁充填体实际需要强度，虽然能够保证巷道安全，但造成了较大的浪费。而发明沿空留巷巷旁充填的初衷就是为了提高煤炭资源的采出率，提高经济效益，如果仅仅为了实现沿空留巷巷旁充填，而不考虑充填成本，那这种沿空留巷巷旁充填实际上是一种失败的充填技术。

发明内容

本发明的目的是提供沿空留巷巷旁柔强双层复合支护高强材料适宜性评价方法，通过这种方法实现在保证巷道安全的前提下，充填经济效益的最优化。

为达到上述目的，本发明采取技术方案是：

一种沿空留巷巷旁柔强双层复合支护高强材料适宜性评价方法，其特征在于，所述的柔强双层复合支护由上下两层充填体组合而成，上层充填体采用柔性材料，下层充填体采用高强材料，下层高强材料适宜性评价方法是：以巷道允许变形量为依据，结合充填体压缩量与矸石压缩量协调变形来确定采空区矸石压缩系数，以高强充填材料与采空区矸石压缩性能确定充填体承载力，进而获得高强充填材料所需抗压强度，用预选的高强材料实际抗压强度与获得的高强充填材料所需抗压强度进行比较，从而对预选的高强材料适宜性进行评价；具体步骤如下：

第一步：测定沿空留巷相关技术参数；

技术参数包括：采高h，m；

直接顶容重γ_Z，kN/m³；

直接顶厚度m_Z，m；

基本顶容重γ_E，kN/m³；

基本顶厚度m_E，m；

基本顶断裂步距L₂，m；

与基本顶岩层同时运动岩层的容重γ_S，kN/m³；

与基本顶岩层同时运动岩层的厚度m_S，m；

充填体侧巷道围岩允许最大变形[Δh_c]，m；

基本顶断裂线距煤壁的距离L₀，m；

第二步：对巷旁柔性充填材料进行室内压缩试验，获得柔性材料最大压缩系数K_r；

第三步：预选充填所需的高强材料，并测定高强材料的实际抗压强度σ_C；

第四步：确定巷旁高强充填材料所需抗压强度[σ_C]；

第4.1步：确定顶板岩层作用力；

顶板压力由三部分组成，分别为：直接顶作用力F_Z、基本顶作用力F_E和基本顶上方岩层均布载荷q_S产生的作用力F_S；其中：

直接顶作用力F_Z

$F_Z={\mathrm{\γ}}_Z{m}_Z(L_1+\frac{1}{2}d)$

式中：d为充填体宽度，m；

基本顶作用力F_E

F_E=γ_Em_EL₂

基本顶上方岩层产生的均布载荷q_S及其对基本顶岩梁的作用力F_S

q_S=γ_Sm_S

F_S=q_SL₂

第4.2步：确定高强材料压缩系数K_C；

高强充填材料的压缩系数受巷道允许变形量的制约，同时与柔性材料压缩量有关，根据高强充填材料的压缩量等于充填体侧巷道围岩允许最大变形量减去柔性材料压缩量，得出：

$K_C=\frac{\left[{\mathrm{\Δh}}_c\right]-K_r{h}_1}{h_2}$

式中：h₁为柔性材料厚度，m；

h₂为高强材料充填厚度，m。

第4.3步：确定矸石压缩系数K_g；

由充填体处顶板下沉量与基本顶触矸处的顶板下沉量的变形协调关系

$\frac{\left[{\mathrm{\Δh}}_c\right]}{L_1}=\frac{{\mathrm{\Δh}}_g+S_A}{L_2}$

其中Δh_g为矸石压缩量，S_A为基本顶触矸时的下沉量

Δh_g=K_gK_Am_Z

S_A=h-(K_A-1)m_Z

则矸石压缩系数K_g为

$K_g=\frac{K_r{h}_1+K_C{h}_2}{K_A{m}_Z{L}_1}{L}_2-\frac{h-(K_A-1)m_Z}{K_A{m}_Z}$

式中K_A为采空区垮落矸石的碎胀系数，与垮落矸石性质有关，一般取1.15～1.35；

第4.4步：确定矸石承载性能F_g；

对采空区矸石进行室内压缩试验，获得矸石承载力F_g与矸石压缩系数K_g的关系

第4.5步：确定高强充填材料所需强度[σ_C]；

根据力学平衡原理可知

ΣF=F_C+F_m+F_g-F_Z-F_E-F_S=0

$\mathrm{\ΣM}=F_m\·\frac{1}{2}{L}_0+F_C\·L_1+F_g\·L_2-F_Z\·\frac{1}{2}(L_1+\frac{1}{2}d)-F_E\·\frac{1}{2}{L}_2-\frac{1}{2}{q}_s{L}_2^2=0$

求解得充填体受力F_C为

$F_C=\frac{F_Z(L_1+\frac{d}{2}-L_0)+F_E(L_2-L_0)+q_s{L}_2(L_2-L_0)-F_g({2L}_2-L_0)}{{2L}_1-L_0}$

则，高强充填材料所需强度为

$\left[{\mathrm{\σ}}_c\right]=\frac{F_C}{d}$

第五步：比较高强充填材料所需强度与实际强度，评判高强充填材料的适宜性；

定义安全系数δ为所选高强材料实际强度与巷旁充填体所需强度的比值，即

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\σ}}_C}{\left[{\mathrm{\σ}}_C\right]}$

规定：

当δ＜1.05时，说明预选的高强材料的实际强度偏低，用作充填材料无法保证巷道安全，不适宜用作充填材料；

当1.05≤δ≤1.25时，说明预选的高强材料的实际强度基本符合要求，即保证了巷道安全，又不至于造成浪费，可以用来作充填材料；

当δ＞1.25时，说明预选的高强材料的实际强度远远大于实际强度，虽然保证了巷道安全，但造成了较大的浪费，不适宜用作充填材料。

下面结合本发明的发明机理说明其优点：

1、基本顶岩梁从开始运动至触矸过程中，巷旁充填体处于“给定变形”工作状态，充填体受力较小，且发生持续变形，由于柔性充填材料初始刚度远小于高强充填材料初始刚度，故充填体变形主要为柔性充填材料变形；当基本顶岩梁触矸后，巷旁充填体处于“限定变形”工作状态，与实体煤、采空区矸石共同承担上覆岩层的重量，充填体需要具有一定的抗压强度。因此，以巷道围岩允许变形量为基础数据，根据变形协调关系获得高强充填材料与采空区矸石的压缩系数，结合室内试验获得其各自的承载力，进而获得高强充填材料所需强度，与其实际强度比较评价所选材料的适宜性，则既能保证巷道围岩变形满足要求，又能充分发挥采空区矸石的承载性能，避免了不必要的浪费。

2、本发明提供的巷旁高强材料适宜性评价方法，能充分考虑高强充填材料与采空区矸石承载性能，克服了以往忽略采空区矸石压缩量对其承载能力影响的不足，并以力学平衡方程为依据给出了充填体强度的定量确定方法，可以消除对实体煤承载力估算带来的误差，评价结果可信度高。

附图说明

图1为本发明实施例矸石压实过程中高强充填材料作用示意图；

图2为本发明实施例围岩变形量监测结果图。

图例说明：1——基本顶；2——直接顶；3——煤层；4——巷道；5——矸石；6——高强充填材料；7——柔性充填材料；8——基本顶断裂线；9——基本顶触矸点。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。

某矿8213工作面运输巷采用沿空留巷技术，巷旁采用柔强双层复合支护方式，其中：

煤层3平均采高h为1.8m，直接顶2为砂质泥岩与泥岩互层，泥质胶结，平均厚度m_Z为5.2m，平均容重γ_Z为25kN/m，悬顶很小；基本顶1为粉砂岩与细砂岩互层，泥质胶结，平均厚度m_E为9.3m，平均容重γ_E为27kN/m，平均断裂步距L₂为为20.4m；基本顶1上方为粗砂岩、泥岩互层，强度较低，与基本顶1同时运动，平均厚度m_S为42m，平均容重γ_S为25.8kN/m；工作面运输巷4宽度为2.0m，巷旁采用柔强双层复合充填体支护，充填体宽度d为2.0m，柔性材料7厚度h₁为0.48m，最大压缩系数K_r为0.6，高强材料6采用膏体材料，由水泥、沙子、粉煤灰等按一定比例配置而成，厚度h₂为1.32m，实际强度σ_C为17.5Mpa；基本顶断裂线8距煤壁L₀约为2.8m，采空区矸石5碎胀系数K_A为1.25，巷旁充填体允许下沉量[Δh_c]为0.6m。

实施例中矸石压实过程中高强充填材料作用过程见图1，从图1可以看出：基本顶岩梁触矸开始至采空区矸石压实过程中，巷旁充填体处于“限定变形”工作状态，与实体煤、采空区矸石共同抵抗顶板岩层的运动。

下面利用本发明方法评判所选用的高强材料6是否适合用作实施例所述巷道的巷旁充填体。

直接顶作用力FZ为

$F_Z={\mathrm{\γ}}_Z{m}_Z(L_1+\frac{1}{2}d)=25\×5.2\×(2.8+3.0+1.0)=884\mathrm{kN}$

基本顶作用力F_E为

F_E=γ_Em_EL₂=27×9.3×20.4=5122.44kN

基本顶上方岩层均布载荷q_S为

q_S=γ_Sm_S=25.8×42=1083.6kN/m

基本顶上方岩层对基本顶岩梁的作用力F_S为

F_S=q_SL₂=1083.6×20.4=22105.44kN/m

高强材料压缩系数K_C为

$K_C=\frac{\left[\mathrm{\Δ}{h}_c\right]-K_r{h}_1}{h_2}=\frac{0.6-0.6\×0.48}{1.32}0.2364$

矸石压缩系数K_g为

$\begin{array}{c}{K}_g=\frac{K_r{h}_1+K_C{h}_2}{K_A{m}_Z{L}_1}{L}_2-\frac{h-(K_A-1)m_Z}{K_A{m}_Z}\\ =\frac{0.6\×0.48+0.2364\×1.32}{1.25\×5.2\×(2.8+3.0+1.0)}\×20.4-\frac{1.8-0.25\×5.2}{1.25\×5.2}\\ =0.200\end{array}$

假设基本顶与矸石的接触宽度为1.0m，试验获得矸石承载力F_g与压缩系数K_g的关系为

F_g=862.32×exp(7.7452683K_g)-83.07=3979.32kN

充填体受力K_C为

$\begin{array}{c}{F}_C=\frac{F_Z(L_1+\frac{d}{2}-L_0)+F_E(L_2-L_0)+q_S{L}_2(L_2-L_0)-F_g({2L}_2-L_0)}{{2L}_1-L_0}\\ =\frac{884\×5.0+5122.44\×17.6+1083.6\×20.4\×17.6-3979.32\×38}{1.8}\\ =30.78\×{10}^6\mathrm{kN}\end{array}$

高强充填材料所需强度为

$\left[{\mathrm{\σ}}_C\right]=\frac{F_C}{d}=15.39\mathrm{MPa}.$

则，定义安全系数δ为

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\σ}}_C}{\left[{\mathrm{\σ}}_C\right]}=\frac{17.5}{154.39}=1.14>1.1$

因此，根据技术方案所述的判断方法，得出预选的高强材料是合适的。

根据以上计算结果，采用预选的高强充填材料对巷道4进行巷旁充填。在巷道4内布置测点，对巷道4实体煤侧和充填体侧的顶底板移近量进行监测，随着工作面推进围岩变形监测结果见图2。由图2可知，随着测点与工作面距离的增大，围岩变形量逐渐增大，与工作面距离超过约35m，围岩变形趋于稳定；巷道顶底板移近量最大约为105mm，两帮移近量最大约为115mm，可以满足对巷道通风、运输等方面的要求；充填体整体性良好，表面无裂纹，巷道围岩稳定，留巷整体效果良好，进一步证明了本发明评价方法的正确性和合理性。

Claims (1)

1.一种沿空留巷巷旁柔强双层复合支护高强材料适宜性评价方法，其特征在于，所述的柔强双层复合支护由上下两层充填体组合而成，上层充填体采用柔性材料，下层充填体采用高强材料，下层高强材料适宜性评价方法是：以巷道允许变形量为依据，结合充填体压缩量与矸石压缩量协调变形来确定采空区矸石压缩系数，以高强充填材料与采空区矸石压缩性能确定充填体承载力，进而获得高强充填材料所需抗压强度，用预选的高强材料实际抗压强度与获得的高强充填材料所需抗压强度进行比较，从而对预选的高强材料适宜性进行评价；具体步骤如下：

第一步：测定沿空留巷相关技术参数；

技术参数包括：采高h，单位m；

直接顶容重γ_Z，单位kN/m³；

直接顶厚度m_Z，单位m；

基本顶容重γ_E，单位kN/m³；

基本顶厚度m_E，单位m；

基本顶断裂步距L₂，单位m；

与基本顶岩层同时运动岩层的容重γ_S，单位kN/m³；

与基本顶岩层同时运动岩层的厚度m_S，单位m；

充填体侧巷道围岩允许最大变形[Δh_c]，单位m；

基本顶断裂线距煤壁的距离L₀，单位m；

基本顶断裂线距巷旁充填体中心距离L_1，单位m；

第二步：对巷旁柔性充填材料进行室内压缩试验，获得柔性材料最大压缩系数K_r；

第三步：预选充填所需的高强材料，并测定高强材料的实际抗压强度σ_C；

第四步：确定巷旁高强充填材料所需抗压强度[σ_C]；

第4.1步：确定顶板岩层作用力；

顶板压力由三部分组成，分别为：直接顶作用力F_Z、基本顶作用力F_E和基本顶上方岩层均布载荷q_S产生的作用力F_S；其中：

直接顶作用力F_Z

$F_Z={\mathrm{\γ}}_Z{m}_Z(L_1+\frac{1}{2}d)$

式中：d为充填体宽度，单位m；

基本顶作用力F_E

F_E＝γ_Em_EL₂

基本顶上方岩层产生的均布载荷q_S及其对基本顶岩梁的作用力F_S

q_S＝γ_Sm_S

F_S＝q_SL₂

第4.2步：确定高强材料压缩系数K_C；

高强充填材料的压缩系数受巷道允许变形量的制约，同时与柔性材料压缩量有关，根据高强充填材料的压缩量等于充填体侧巷道围岩允许最大变形量减去柔性材料压缩量，得出：

$K_C=\frac{\left[{\mathrm{\Δh}}_c\right]-K_r{h}_1}{h_2}$

式中：h₁为柔性材料厚度，m；

h₂为高强材料充填厚度，m；

第4.3步：确定矸石压缩系数K_g；

由充填体处顶板下沉量与基本顶触矸处的顶板下沉量的变形协调关系

$\frac{\left[{\mathrm{\Δh}}_c\right]}{L_1}=\frac{{\mathrm{\Δh}}_g+S_A}{L_2}$

其中Δh_g为矸石压缩量，S_A为基本顶触矸时的下沉量

Δh_g＝K_gK_Am_Z

S_A＝h-(K_A-1)m_Z

则矸石压缩系数K_g为

$K_g=\frac{K_r{h}_1+K_C{h}_2}{K_A{m}_Z{L}_1}{L}_2-\frac{h-(K_A-1)m_Z}{K_A{m}_Z}$

式中K_A为采空区垮落矸石的碎胀系数，取1.15～1.35；

第4.4步：确定矸石承载性能F_g；

对采空区矸石进行室内压缩试验，获得矸石承载力F_g与矸石压缩系数K_g的关系；

第4.5步：确定高强充填材料所需强度[σ_C]；

根据力学平衡原理得出：

ΣF＝F_C+F_m+F_g-F_Z-F_E-F_S＝0

$\mathrm{\ΣM}=F_m\·\frac{1}{2}{L}_0+F_C\·L_1+F_g\·L_2-F_Z\·\frac{1}{2}(L_1+\frac{1}{2}d)-F_E\·\frac{1}{2}{L}_2-\frac{1}{2}{q}_S{L}_2^2=0$

由此得充填体受力F_C为

$F_C=\frac{F_Z(L_1+\frac{d}{2}-L_0)+F_E(L_2-L_0)+q_S{L}_2(L_2-L_0)-F_g({2L}_2-L_0)}{{2L}_1-L_0}$

因此，高强充填材料所需强度为

$\left[{\mathrm{\σ}}_C\right]=\frac{F_C}{d}$

第五步：比较高强充填材料所需强度与实际强度，评判高强充填材料的适宜性；

定义安全系数δ为所选高强材料实际强度与巷旁充填体所需强度的比值，即

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\σ}}_C}{\left[{\mathrm{\σ}}_C\right]}$

规定：

当δ＜1.05时，说明预选的高强材料的实际强度偏低，用作充填材料无法保证巷道安全，不适宜用作高强充填材料；

当1.05≤δ≤1.25时，说明预选的高强材料的实际强度基本符合要求，即保证了巷道安全，又不至于造成浪费，可以用来作高强充填材料；

当δ＞1.25时，说明预选的高强材料的实际强度远远大于实际强度，虽然保证了巷道安全，但造成了较大的浪费，不适宜用作高强充填材料。