CN108549780B - 浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法 - Google Patents

浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法，首先建立浅埋深空留巷道充填体承载结构模型，根据所述空留巷道充填体承载结构模型，由面积分摊法可知充填体承载覆岩层包括：空留巷道宽度一半的覆岩层、充填体全部宽度的覆岩层以及采空区垮落带上部覆岩层，预设空留巷道的宽度、充填体的宽度、煤层开采厚度、垮落带高度、充填体侧向支撑角、工作面埋深以及工作面覆岩层容重，利用公式计算充填体估算载荷Q，所述公式如下：
Figure DDA0003355041040000011
本发明所述模型提供的公式包括垮落带高度、留巷宽度、充填体宽度和巷道顶板岩性等关键参数。为留巷宽度、充填体宽度和充填材料及强度选择提供基础，减少空留巷道参数设计的盲目性。

Description

浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法
技术领域
本发明涉及空留巷道技术领域。更具体地说，本发明涉及一种用于浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法。
背景技术
利用木垛、密集支柱、矸石带、低强度高水材料、高强度高水材料和膏体材料等多种材料在采空区边缘加一道充填体的技术叫沿空留巷技术，在上世纪70年代后期在我国得到广泛使用，早期主要集中在埋深为100～300m巷道，此处充填体可看作人造“煤柱”。充填体的主要用途在于，(1)承载作用，能够承受一定结构覆岩层载荷，形成普通巷道；(2)密闭作用，防止采空区瓦斯和水的泄漏等等。沿空留巷技术取消了工作面煤柱，可以提高煤炭资源回收率，减少巷道掘进量；还可以消除上隅角瓦斯超限，实现煤与瓦斯共采等。
目前，国内很多学者提出过充填体载荷计算公式，大部分学者研究主要集中在埋深较大矿井的沿空留巷充填体局部破裂，巷道变形大，整体呈给定变形特性。在浅埋深空留巷道充填体的载荷计算中，与深埋矿井相差很大，浅埋深沿空留巷过程中留巷整体变形小，留巷稳定性好。但是充填体载荷相对较大，具有明显浅埋深特性，因此需要对浅埋深充填体承载特性和载荷估算等进行研究，为浅埋深留巷充填体设计提供理论参考。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种于浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法，首先建立浅埋深空留巷道充填体承载结构模型，利用建立的模型估算充填体最小载荷承载能力，为空留巷道宽度、充填体宽度和填充材料的选择提供基础，减少空留巷道参数设计的盲目性。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法，包括：
建立浅埋深空留巷道充填体承载结构模型，包括，工作面采空区，覆岩层和煤层，将工作面采空区由上往下依次划分为规则弯曲下沉带、裂隙带以及不规则垮落带，所述煤层包括实体煤层、空留巷道、充填体，其在同一高度层，位于所述覆岩层下方且与部分垮落带共同承载覆岩层，所述垮落带与充填体上部覆岩层存在充填体的侧向支撑角，工作面埋深包括所述垮落带除去煤层厚度后的高度、弯曲下沉带高度以及裂隙带高度。
优选的是，根据所述空留巷道充填体承载结构模型，由面积分摊法可知充填体承载覆岩层包括：空留巷道宽度一半的覆岩层、充填体全部宽度的覆岩层以及采空区垮落带上部覆岩层，预设空留巷道的宽度、充填体的宽度、煤层开采厚度、垮落带高度、充填体侧向支撑角、工作面埋深以及工作面覆岩层容重，利用公式计算充填体估算载荷Q，所述公式如下：
Figure GDA0003355041030000021
式中：A为留巷巷道的宽度；B为充填体的宽度；h为垮落带高度；M为煤层开采厚度；H为工作面埋深；θ为充填体的侧向支撑角；γ为覆岩层的容重。
优选的是，在不同覆岩层性质中充填体的侧向支撑角θ和垮落带高度h的取值和计算如下：
覆岩层性质为坚硬时，侧向支撑角θ为30°，且
Figure GDA0003355041030000022
覆岩层性质为中硬时，侧向支撑角θ为20°，且
Figure GDA0003355041030000023
覆岩层性质为松软时，侧向支撑角θ为10°，且
Figure GDA0003355041030000024
其中，M为煤层开采厚度。
优选的是，所述覆岩层的容重γ为0.025N/mm3。
优选的是，所述充填体载荷Q为充填体不同位置的载荷。
优选的是，所述煤层开采厚度为施工后不同位置测量等高体实体煤、空留巷道以及充填体的高度，取多次测量平均值。
优选的是，所述充填体的宽度是在实际施工中，在充填体的不同位置测量所述充填体的宽度，并取多次测量的中值或者平均值。
优选的是，所述空留巷道的宽度为实际施工中，在空留巷道的不同位置测量所述空留巷道的宽度，并取多次测量的中值或者平均值。
优选的是，所述工作面埋深为实际施工中，在覆岩层不同位置测量所述工作面埋深，并取多次测量的平均值。
本发明至少包括以下有益效果：本发明提供的浅埋深空留巷道充填体结构模型，并依据所述模型提出充填体载荷公式，估算充填体的载荷，该公式包括采高、留巷宽度、充填体宽度和巷道顶板岩性等关键参数。为留巷宽度、充填体宽度和充填材料及强度选择提供基础，减少空留巷道参数设计的盲目性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所提供的充填体承载结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明提供了一种用于浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法，包括：
建立浅埋深空留巷道充填体承载结构模型，其结构示意图见图1，包括，工作面采空区，覆岩层1和煤层，将工作面采空区由上往下依次划分为规则弯曲下沉带2、裂隙带3以及不规则垮落带4，所述煤层包括实体煤层5、空留巷道6、充填体8，其在同一高度层，位于所述覆岩层1下方且与部分垮落带4共同承载覆岩层，所述垮落带4与充填体8上部覆岩层1存在充填体的侧向支撑角θ，工作面埋深包括所述垮落带4除去煤层5厚度后的高度h、弯曲下沉带2高度h2以及裂隙带3高度h1。
在其中一个实施例中，根据所述空留巷道充填体承载结构模型，由面积分摊法可知充填体8承载覆岩层包括：空留巷道7宽度一半的覆岩层、充填体8全部宽度B的覆岩层以及采空区垮落带4上部覆岩层，预设空留巷道7的宽度A、充填体8的宽度B、煤层5开采厚度M、垮落带4高度、充填体8侧向支撑角、工作面埋深以及工作面覆岩层1容重，利用公式计算充填体8估算载荷Q，所述公式如下：
Figure GDA0003355041030000031
式中：A为留巷巷道7的宽度；B为充填体8的宽度；h为垮落带4高度；M为煤层开采厚度；H为工作面埋深；θ为充填体8的侧向支撑角；γ为覆岩层1的容重。
在其中一个实施例中，在不同覆岩层性质中充填体的侧向支撑角θ和垮落带4除去垮落带除去煤层开采厚度后h的取值和计算如下：
覆岩层性质为坚硬时，侧向支撑角θ为30°，且
Figure GDA0003355041030000041
覆岩层性质为中硬时，侧向支撑角θ为20°，且
Figure GDA0003355041030000042
覆岩层性质为松软时，侧向支撑角θ为10°，且
Figure GDA0003355041030000043
其中，M为煤层开采厚度。
在其中一个实施例中，所述覆岩层1的容重γ为0.025N/mm3。
在其中一个实施例中，所述充填体8载荷Q为充填体不同位置的载荷。
在其中一个实施例中，所述煤层5高度为施工后不同位置测量等高体实体煤层5、空留巷道7以及充填体8的高度，取多次测量平均值。
在其中一个实施例中，所述充填体8的宽度B是在实际施工中，在充填体8的不同位置测量所述充填体8的宽度B，并取多次测量的中值或者平均值。
在其中一个实施例中，所述空留巷道7的宽度A为实际施工中，在空留巷道7的不同位置测量所述空留巷道7的宽度A，并取多次测量的中值或者平均值。
在其中一个实施例中，所述工作面埋深H为实际施工中，在覆岩层不同位置测量所述工作面埋深H，并取多次测量的平均值。
实施例1
榆家梁煤矿43308工作面采用柔模混凝土空留巷道，工作面平均埋深100m，走向长度为2147m，工作面长度为300m，煤层平均厚度1.87m，倾角10～30，在43308工作面上部42208工作面采空塌陷区，距离13～17m平均15m。43308运输巷道掘进宽度5.5m，留巷宽度4.5m,柔模混凝土宽度为1m，混凝土标号为C20。
可知A＝4.5m，B＝1m，工作面上部是采空区θ取100，采高1.87m,垮落带高度的中值为6.2m，高值为7.7m。根据充填体载荷计算公式，当垮落带取中值时，充填体的载荷为9MPa；
当垮落带取高值时，充填体的载荷为10.7MPa。
现场实测充填体的载荷为10MPa，9MPa<10MPa<10.7MPa；载荷估算公式较好吻合现场实测数据，无论裂隙带取高值还是中值，充填体载荷估算公式计算结果都小于充填体设计强度，理论计算结果证明空留巷道是成功的，这和现场实测数据和应用效果是一直的。
实施例2
上湾煤矿12上307工作面平均埋深240m，煤层厚度2.7～3.9m，平均厚度3.8m。该工作面直接顶为平均2.06m厚砂质泥岩，水平层理发育，抗压强度为13.3～15.2MPa，属不坚硬类不稳定型，基本顶为平均2.17m泥钙质胶结粗粒砂岩，抗压强度16.6～36.6MPa。空留巷道采用柔模混凝土墙体，墙宽1.5m，高3.6～3.8m，混凝土标号C30，留巷宽度4.7m。
可知A＝4.7m，B＝1.5m，工作面直接顶和基本顶都是比较软弱，θ取100，采高3.8m,垮落带高度的中值为10.6m，低值为9.1m。代入充填体载荷计算公式，当垮落带取中值时，充填体的载荷为17.8MPa，当垮落带取低值时，充填体的载荷为17.2MPa。
现场监测充填体峰值应力17.2MPa，载荷估算公式较好的吻合现场监测数据。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.用于浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法，其特征在于，包括：
建立浅埋深空留巷道充填体承载结构模型，包括：工作面采空区，覆岩层和煤层；将工作面采空区由上往下依次划分为规则弯曲下沉带、裂隙带以及不规则垮落带，所述煤层包括在同一高度层的实体煤层、空留巷道、充填体，位于所述覆岩层下方且与部分垮落带共同承载覆岩层，所述垮落带与充填体上部覆岩层存在充填体的侧向支撑角，工作面埋深由所述垮落带除去煤层厚度后的高度、弯曲下沉带高度以及裂隙带高度组成；
根据所述空留巷道充填体承载结构模型，充填体承载覆岩层包括：空留巷道宽度一半的覆岩层、充填体全部宽度的覆岩层以及采空区垮落带上部覆岩层，预设空留巷道的宽度、充填体的宽度、煤层开采厚度、垮落带高度、充填体的侧向支撑角、工作面埋深以及工作面覆岩层容重，利用公式计算充填体估算载荷Q，所述公式如下：
Figure FDA0003363498500000011
式中：A为预设空留巷道的宽度；B为充填体的宽度；h为垮落带高度；M为煤层开采厚度；H为工作面埋深；θ为充填体的侧向支撑角；γ为覆岩层的容重。
2.如权利要求1所述的用于浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法，其特征在于，在不同覆岩层性质中充填体的侧向支撑角θ和垮落带高度h的取值和计算如下：
覆岩层性质为坚硬时，充填体的侧向支撑角θ为30°，且
Figure FDA0003363498500000012
覆岩层性质为中硬时，充填体的侧向支撑角θ为20°，且
Figure FDA0003363498500000013
覆岩层性质为松软时，充填体的侧向支撑角θ为10°，且
Figure FDA0003363498500000014
其中，M为煤层开采厚度。
3.如权利要求2所述的用于浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法，其特征在于，所述覆岩层的容重γ为0.025N/cm3。
4.如权利要求3所述的用于浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法，其特征在于，所述充填体载荷Q为充填体不同位置的载荷。
5.如权利要求4所述的用于浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法，其特征在于，所述煤层开采厚度为施工后不同位置测量等高体实体煤层、空留巷道以及充填体的高度，取多次测量平均值。
6.如权利要求5所述的用于浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法，其特征在于，所述充填体的宽度是在实际施工中，在充填体的不同位置测量所述充填体的宽度，并取多次测量的中值或者平均值。
7.如权利要求6所述的用于浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法，其特征在于，所述空留巷道的宽度为实际施工中，在空留巷道的不同位置测量所述空留巷道的宽度，并取多次测量的中值或者平均值。
8.如权利要求7所述的用于浅埋深空留巷道充填体的载荷估算方法，其特征在于，所述工作面埋深为实际施工中，在覆岩层不同位置测量所述工作面埋深，并取多次测量的平均值。
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