CN103573287B - 沿空留巷巷旁柔强双层复合支护柔性材料厚度确定方法 - 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柔性材料厚度确定方法，该方法中所述的沿空留巷巷旁柔强双层复合支护结构是：上层采用柔性充填材料，下层采用高强充填材料，确定柔性充填材料厚度时以工作面侧向基本顶岩梁触矸时的下沉量来确定巷旁充填体早期压缩量；以柔性充填材料刚度与高强充填材料初始刚度相等推出柔性充填材料的压缩系数；忽略高强充填材料早期变形，以柔性充填材料压缩量等于巷旁充填体早期压缩量来确定柔性充填材料厚度。通过这种方法，即能使柔性充填材料有效控制顶板运动，最大发挥让压效果，并且使充填成本最优化。

Description

沿空留巷巷旁柔强双层复合支护柔性材料厚度确定方法

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柔性材料厚度确定方法，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，同时，符合我国煤炭工业走“资源利用率高、安全有保障、经济效益好、环境污染少的可持续发展之路”的要求，也符合绿色采矿、科学采矿的发展方向，受到越来越多的重视。

巷旁支护是沿空留巷成功与否的关键技术，其发展经历了从木垛、密集支柱、矸石带、混凝土砌块等人工构筑的传统低强度支护方式，到目前的高水材料和膏体材料等机械充填的高强度支护方式，目前已成功实现了细砂岩、粗砂岩等较坚硬顶板条件下的沿空留巷，取得了较显著的社会和经济效益。然而，在砾岩、石灰岩等坚硬顶板条件下，由于工作面侧向悬顶更大，巷旁充填体受到持续的高应力作用，即使采用高水或超高水材料进行巷旁充填，充填体变形依然较大，充填体内部出现大量裂缝，导致其承载能力降低，留巷困难，巷道返修费用较高，且容易造成采空区漏风。

为此，现场技术人员和部分学者提出了一种巷旁分级充填分段承载支护方式，其基本思想是采用上下两层充填材料组合成充填体进行巷旁支护，上层采用强度低、变形量大的柔性充填材料，实现对顶板的早期让压，下层采用高强充填材料，抵抗顶板的后期运动。该技术在现场实践过程中应用效果差异较大，有的巷道应用效果好，而有的巷道则留巷困难，其基本原因在于柔强充填材料厚度受顶板破 断运动规律、充填材料压缩性能、采空区矸石冒落特征和煤层性质等多种因素影响，而目前柔强两层充填材料的厚度多是技术人员按照积累的经验估算取值。这种估算法主观性很强，存在很多不确定的因素，不能全面、定量地考虑顶板破断运动规律、充填材料压缩性能等的变化，获得的厚度值往往误差较大，导致巷旁支护效果在不同的巷道存在差异，因此，需要一种准确、可靠的定量确定巷旁柔强双层复合充填体各层厚度的方法。

申请人曾经申请了一种沿空留巷巷旁适量让压不等强组合充填结构及施工方法（201210158287.1），它根据采高值和直接顶厚度计算岩梁实际沉降值S_A，再根据岩梁实际沉降值S_A计算上层充填体充填高度。在计算过程中，需要利用上层充填体让压系数和让压安全系数，但是，在该方法中，上层充填体让压系数和让压安全系数还是按照经验值取值，也就是说，这种方法实际上也是一种经验类比法。申请人在实际应用中发现，利用上层充填体让压系数和让压安全系数经验值得到的上层充填体充填高度，往往存在偏大或偏小的情况，上层柔性充填体厚度偏小时，让压效果较差，不能有效释放顶板压力，充填体容易压坏，导致留巷失败，且漏风；上层柔性充填体厚度偏大时，巷旁充填体不能有效控制顶板运动，巷道变形量较大，而且由于柔性材料的成本比较高，导致成本也高。

发明内容

为了克服采用现有经验类比法确定巷旁柔强双层复合充填体各层厚度时无法全面、定量地考虑顶板破断运动规律、充填材料压缩性能等变化的缺点，本发明提供一种准确、可靠的沿空留巷巷旁柔强双层复合支护柔性充填材料厚度确定方法，通过这种方法，即能使柔性充填材料有效控制顶板运动，最大发挥让压效果，并且使充填成本最优化。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种沿空留巷巷旁柔强双层复合支护柔性材料厚度确定方法，其特征在于，该方法中所述的沿空留巷巷旁柔强双层复合支护结构是：上层采用柔性充填材料，下层采用高强充填材料，确定柔性充填材料厚度的方法是：

以工作面侧向基本顶岩梁触矸时的下沉量来确定巷旁充填体早期压缩量；以柔性充填材料刚度与高强充填材料初始刚度相等推出柔性充填材料的压缩系数；忽略高强充填材料早期变形，以柔性充填材料压缩量等于巷旁充填体早期压缩量来确定柔性充填材料厚度，具体步骤如下：

第一步：根据采高值和直接顶厚度确定基本顶岩梁触矸时的下沉量S_A

S_A=h-(K_A-1)m_Z

式中：

h为工作面采高，m；

m_z为直接顶厚度，m；

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；

第二步：根据下沉量S_A来确定巷旁充填体早期压缩量Δh₁

$\mathrm{\Δ}{h}_1=\frac{S_A}{L_2}{L}_1$

式中：

Δh₁为基本顶岩梁触矸时，巷旁充填体的早期压缩量，m；

L₁为充填体中心距基本顶断裂线距离，m；

L₂为基本顶岩梁长度，m；

第三步：确定柔性充填材料的压缩系数K_r

基本顶岩梁刚触矸时，取柔性充填材料刚度正好等于高强充填材料初始刚度， 以此来确定柔性充填材料压缩系数；具体如下：

第3.1步：确定柔性充填材料的刚度E_r

对柔性充填材料进行室内压缩试验，获得柔性充填材料刚度E_r与其压缩系数K_r的关系

E_r=f(K_r)

第3.2步：确定高强充填材料初始刚度E_q

对高强充填材料进行室内压缩试验，获得高强充填材料初始刚度E_q；

第3.3步：确定基本顶岩梁触矸时柔性充填材料压缩系数K_r

依据基本顶岩梁触矸时，柔性充填体变形后的刚度和高强充填材料初始刚度相等反推出柔性充填材料的压缩系数K_r，即根据E_r=E_q，获得基本顶岩梁触矸时柔性充填材料压缩系数K_r为

K_r=f^-1(E_q)

第四步：根据柔性充填材料压缩量△h_r确定柔性充填材料的初始厚度h₁以及高强充填材料的厚度h₂

巷旁充填体各层厚度可按下式计算：

$h_1=\frac{\mathrm{\Δ}{h}_r}{K_r}m$

h₂=h-h₁   m

式中：Δh_r为柔性充填材料压缩量，当基本顶岩梁触矸时，充填体变形主要为柔性充填材料变形，高强充填材料变形量很小，计算时可忽略，即Δh_r=Δh₁。

由此，柔性充填材料的初始厚度h₁为

$h_1=\frac{S_A}{L_2{K}_r}{L}_{1}m$

高强充填材料的初始厚度h₂为

$h_2=h-\frac{S_A}{L_2{K}_r}{L}_{1}m$

下面根据本发明的机理说明其优点：

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，巷旁充填体受力较小，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，充填体需要提供较大的抵抗力，且不能无限变形，要求充填体具有较大的刚度和强度，因此，在基本顶岩梁触矸时，若柔性充填体变形后的刚度和高强充填材料初始刚度基本相等，则刚好既能保证释放掉基本顶早期的剧烈变形，又能使巷道变形量尽可能小一点。基于这一机理，以基本顶岩梁刚好触矸时，柔性充填材料刚度正好等于高强充填材料初始刚度来确定柔性充填材料压缩系数，以柔性充填材料压缩量等于巷旁充填体早期压缩量来确定柔性充填材料厚度，既能使充填体充分适应工作面侧向顶板早期运动剧烈的特点，释放掉顶板早期运动对充填体的压力，又能有效控制巷道围岩变形，充分发挥采空区矸石的承载作用，降低巷旁充填体所受压力，可使两方面优势之和最大化。

2、本发明提供的巷旁柔性充填材料厚度的确定方法，能充分考虑巷道顶板岩性及其破断运动规律、柔强两种充填材料承载性能、采空区矸石压缩性能和煤体性质等因素，克服经验类比法不能充分考虑各个因素的不足，并将各因素进行量化，给出一个定量的公式，减少根据经验估算参数带来的误差，得出来的厚度精度较高，根据确定出来的厚度对巷道进行充填，即能使柔性充填材料有效控制顶板运动，最大发挥让压效果，并且使充填成本最优化。

附图说明

图1为本发明实施例基本顶岩梁下沉过程中柔性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。

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11508工作面采高h为1.7m，直接顶2为砂质泥岩，平均厚度m_z为4.4m，随采随冒，一般无悬顶；基本顶1为粉砂岩，基本顶岩梁长度L₂为18.0m；基本顶断裂线8距实体煤壁距离为2.5m，巷道4宽度为3.0m；现场充填时，充填体宽度为2.0m，上层采用强度低、变形量大的柔性充填材料7，下层采用高强充填材料6，其中柔性充填材料7采用高分子膨胀材料，高强充填材料6采用膏体材料，采空区垮落矸石5碎胀系数K_A为1.25。

实施例中基本顶岩梁下沉过程中柔性充填材料作用见图1，从图中可以看出：基本顶岩梁从开始弯沉至端部触矸过程中，巷旁充填体处于“给定变形”工作状态，上部的柔性充填材料由开始压缩变形至压实，其作用是释放顶板早期运动对充填体的压力，防止顶板岩梁快速下沉产生动压冲击，同时封闭采空区。

下面利用本发明方法定量算出柔性充填材料7和高强充填材料6的厚度。

充填体中心距基本顶断裂线距离L₁等于基本顶断裂线8距实体煤壁距离、巷道4宽度、充填体宽度的一半之和，即

$L_1=2.8+3.0+\frac{1}{2}\×2.0=6.8m$

基本顶岩梁触矸时下沉量S_A为

S_A=h-(K_A-1)m_Z=1.7-(1.25-1)×4.4=0.6m

巷旁充填体早期压缩量Δh₁为

$\mathrm{\Δ}{h}_1=\frac{S_A}{L_2}{L}_1=\frac{0.6}{18.0}\×6.8=0.217m$

试验获得高强充填材料6的初始刚度E_q（取3d时的弹性模量表示）为0.38MPa，当柔性充填材料7刚度E_r（弹性模量）也为0.38MPa时，柔性充填材料7的压缩系数K_r为0.48，则柔性充填材料初始厚度h₁为

$h_1=\frac{S_A}{L_2{K}_r}{L}_1=\frac{0.6}{18.0\×0.48}\×6.8=0.45m$

高强充填材料初始厚度h₂为

$h_2=h-\frac{S_A}{L_2{K}_r}{L}_1=1.7-0.45=1.25m$

根据以上计算结果，对巷道4进行巷旁充填，充填宽度为2.0m，下层高强充填材料6充填厚度h₂为1.25m，上层柔性充填材料7充填厚度h₁为0.45m。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55m，围岩变形趋于稳定；充填体处最大变形量约为246mm，煤壁处最大变形量约为142mm，可以满足对巷道通风、运输等方面的要求，巷道围岩稳定，留巷效果良好。

Claims (1)

1.一种沿空留巷巷旁柔强双层复合支护柔性材料厚度确定方法，其特征在于，该方法中所述的沿空留巷巷旁柔强双层复合支护结构是：上层采用柔性充填材料，下层采用高强充填材料，其中确定柔性充填材料厚度的方法是：

以工作面侧向基本顶岩梁触矸时的下沉量来确定巷旁充填体早期压缩量；以柔性充填材料刚度与高强充填材料初始刚度相等推出柔性充填材料的压缩系数；忽略高强充填材料早期变形，以柔性充填材料压缩量等于巷旁充填体早期压缩量来确定柔性充填材料厚度；具体步骤如下：

第一步：根据采高值和直接顶厚度确定基本顶岩梁触矸时的下沉量S_A

S_A=h-(K_A-1)m_Z

式中：

h为工作面采高，单位m；

m_z为直接顶厚度，单位m；

K_A为采空区垮落矸石的碎胀系数，取1.15～1.35；

第二步：根据下沉量S_A来确定巷旁充填体早期压缩量Δh₁

式中：

Δh₁为基本顶岩梁触矸时，巷旁充填体的早期压缩量，单位m；

L₁为充填体中心距基本顶断裂线距离，单位m；

L₂为基本顶岩梁长度，单位m；

第三步：确定柔性充填材料的压缩系数K_r

基本顶岩梁刚触矸时，取柔性充填材料刚度正好等于高强充填材料初始刚 度，以此来确定柔性充填材料压缩系数；具体如下：

第3.1步：确定柔性充填材料的刚度E_r

对柔性充填材料进行室内压缩试验，获得柔性充填材料刚度E_r与其压缩系数K_r的关系

E_r=f(K_r)

第3.2步：确定高强充填材料初始刚度E_q

对高强充填材料进行室内压缩试验，获得高强充填材料初始刚度E_q；

第3.3步：确定基本顶岩梁触矸时柔性充填材料压缩系数K_r

依据基本顶岩梁触矸时，柔性充填体变形后的刚度和高强充填材料初始刚度相等反推出柔性充填材料的压缩系数K_r，即根据E_r=E_q，获得基本顶岩梁触矸时柔性充填材料压缩系数K_r为

K_r=f^-1(E_q) 

第四步：根据柔性充填材料压缩量△h_r确定柔性充填材料的初始厚度h₁以及高强充填材料的厚度h₂

巷旁充填体各层厚度按下式计算：

单位m

h₂=h-h₁，单位m

式中：Δh_r为柔性充填材料压缩量；

当基本顶岩梁触矸时，充填体变形主要为柔性充填材料变形，高强充填材料变形量很小，计算时忽略不计，即Δh_r=Δh₁；

由此，柔性充填材料的初始厚度h₁为

单位m

高强充填材料的初始厚度h₂为

单位m。