沿空留巷巷旁充填体稳定性控制技术研究

　第４７卷第９期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４７　Ｎｏ􀆰９　　２０１９年９月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｅｐ.２０１９　移动扫码阅读陈　勇ꎬ孟宁康ꎬ杨玉贵ꎬ等.沿空留巷巷旁充填体稳定性控制技术研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１９ꎬ４７(９):２７３－２７８.ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１９􀆰０９􀆰０３６ＣＨＥＮＹｏｎｇꎬＭＥＮＧＮｉｎｇｋａｎｇꎬＹＡＮＧＹｕｇｕｉꎬｅｔａｌ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｆｉｌｌｉｎｇｂｏｄｙｉｎｇｏｂ－ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｒｅｔａｉｎｉｎｇ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１９ꎬ４７(９):２７３－２７８.ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１９􀆰０９􀆰０３６沿空留巷巷旁充填体稳定性控制技术研究陈　勇１ꎬ孟宁康１ꎬ杨玉贵２ꎬ郝胜鹏３(１.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室ꎬ江苏徐州　２２１１１６ꎻ２.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室ꎬ江苏徐州　２２１１１６ꎻ３.ＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅＭｏｎｔｒｅａｌꎬＣｉｖｉｌꎬＧｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄＭｉｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＱｕｅｂｅｃＣａｎａｄａ　Ｈ３Ｃ３Ａ７)摘　要:充填体稳定性控制是沿空留巷成功的关键因素之一ꎮ为获得合理的充填体稳定性控制技术ꎬ以三河尖煤矿７１３６工作面千米深井沿空留巷为工程背景ꎬ采用ＵＤＥＣ６.０的Ｔｒｉｇｏｎ模型校正了巷旁充填体(高水材料水灰比为１.５∶１.０)的数值模型ꎬ然后对充填体稳定控制的钢筋梯子梁直径、对拉锚杆直径及数量不同时的充填体应力应变进行了模拟分析ꎮ研究结果表明:充填体的加固作用可有效约束充填体表面位移ꎬ综合提升充填体的承载能力可达２０％以上ꎬ提高了沿空留巷充填体的稳定性ꎬ特别是增加对拉锚杆直径和数量在大变形的条件下可有效控制充填体帮部的整体横向变形和鼓包现象ꎬ是提高充填体加固系统护表能力、充填体承载能力的重要参数之一ꎮ研究成果成功应用于千米深井沿空留巷ꎬ加固后的充填体帮平均变形不超过１５０ｍｍꎬ顶板下沉量不超过２５０ｍｍꎬ表明充填体加固系统可靠ꎬ而且具有良好的适应性ꎮ关键词:沿空留巷ꎻ充填体ꎻ对拉锚杆ꎻ钢筋梯子梁中图分类号:ＴＤ８２２　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１９)０９－０２７３－０６Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｆｉｌｌｉｎｇｂｏｄｙｉｎｇｏｂ－ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｒｅｔａｉｎｉｎｇＣＨＥＮＹｏｎｇ１ꎬＭＥＮＧＮｉｎｇｋａｎｇ１ꎬＹＡＮＧＹｕｇｕｉ２ꎬＨＡＯＳｈｅｎｇｐｅｎｇ３(１.ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｆＣｏａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＳａｆｅｔｙＭｉｎｉｎｇꎬＳｃｈｏｏｌｏｆＭｉｎｅｓꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｕｚｈｏｕ　２２１１１６ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｔａｔｅｋｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＤｅｅｐＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｕｚｈｏｕ２２１１１６ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅＭｏｎｔｒｅａｌꎬＣｉｖｉｌꎬＧｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄＭｉｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＱｕｅｂｅｃ　Ｈ３Ｃ３Ａ７ꎬＣａｎａｄａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｏｆｆｉｌｌｉｎｇｂｏｄｙｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｓｆｏｒｔｈｅｓｕｃｃｅｓｓｏｆｇｏｂ－ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｒｅｔａｉｎｉｎｇ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｂｔａｉｎａｒｅａ￣ｓｏｎａｂｌｅｆｉｌｌｉｎｇｂｏｄｙｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬｔｈｅｐａｐｅｒｔｏｏｋｔｈｅＮｏ.７１３６ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｏｆＳａｎｈｅｊｉａｎＣｏａｌＭｉｎｅａｓｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｂａｃｋ￣ｇｒｏｕｎｄꎬａｎｄｕｓｅｄＵＤＥＣ６.０ｔｏｃｏｒｒｅｃｔｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄａｌｏｆｔｈｅｆｉｌｌｉｎｇｂｏｄｙ(ｗａｔｅｒｃｅｍｅｎｔｒａｔｉｏｏｆｈｉｇｈｗａｔｅｒｍａｔｅｒｉａｌｗａｓ１.５∶１.０).Ｔｈｅｎｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｓｔｅｅｌｌａｄｄｅｒｂｅａｍａｎｄｐｕｌｌｉｎｇａｎｃｈｏｒｒｏｄｗｅｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｆｉｌｌｉｎｇｂｏｄｙｓｔａｂｉｌｉｔｙ.Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒａｉｎｏｆｆｉｌｌｉｎｇｂｏｄｙｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒｓａｎｄｑｕａｎｔｉｔｙｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｅｆｆｅｃｔｏｆｆｉｌｌｉｎｇｂｏｄｙｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｓｔｒａｉｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｆｉｌｌｉｎｇｂｏｄｙꎬｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｆｉｌｌｉｎｇｂｏｄｙｕｐｔｏ２０％ꎬｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｆｉｌｌｉｎｇｂｏｄｙａｌｏｎｇｇｏｂ－ｓｉｄｅｒｅｔａｉｎｉｎｇｒｏａｄｗａｙꎬｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｔｅｎｓｉｏｎｂｏｌｔｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬｗｈｉｃｈｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｏｆｆｉｌｌｉｎｇｂｏｄｙｓｉｄｅ.Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｂｕｌｇｉｎｇｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｆｉｌｌｉｎｇｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ.Ｔｈｅｒｅ￣ｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｈａｖｅｂｅｅｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｇｏｂ－ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｒｅｔａｉｎｉｎｇｉｎａｋｉｌｏｍｅｔｅｒｄｅｅｐｗｅｌｌ.Ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂａｃｋ￣ｆｉｌｌｗａｌｌａｆｔｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｗａｓｎｏｔｍｏｒｅｔｈａｎ１５０ｍｍꎬａｎｄｔｈｅｒｏｏｆｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｗａｓｎｏｔｍｏｒｅｔｈａｎ２５０ｍｍ.Ｉｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｂａｃｋｆｉｌｌｒｅ￣ｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｗａｓｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄｈａｄｇｏｏｄａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｇｏｂ－ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｒｅｔａｉｎｉｎｇꎻｆｉｌｌｉｎｇｂｏｄｙꎻｔｅｎｓｉｏｎｂｏｌｔꎻｌａｄｄｅｒｂｅａｍｏｆｓｔｅｅｌ收稿日期:２０１９－０４－１２ꎻ责任编辑:杨正凯基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１５０４２４６)作者简介:陈　勇(１９８１—)ꎬ男ꎬ四川成都人ꎬ博士ꎮＥｍａｉｌ:[e-mail]３７２２０１９年第９期煤炭科学技术第４７卷０　引　　言近６０多年以来ꎬ沿空留巷在地质条件较好的煤矿中得到了广泛的应用ꎬ采用该技术具有可减少巷道掘进量、提高煤炭采出率等突出优点ꎮ工作面回采以后ꎬ上覆岩层垮落产生的变形作用于沿空留巷充填体ꎬ充填体稳定性与否直接影响到巷道围岩的稳定ꎬ是沿空留巷成功的关键因素之一[１－４]ꎮ我国学者对此进行了大量研究ꎬ漆泰岳[５]对沿空留巷基本顶断裂与沿空留巷的支护强度及变形的关系进行了研究ꎮ邢继亮等[６]分析不同充填体宽度下内部的剪切破坏特征ꎬ提出了充填体内置钢筋网的加固措施ꎮ张东升等[７]通过分析充填体整体的支护强度和抗变形能力ꎬ提出了锚栓加固网技术ꎮ李迎富等[８]研究了上覆岩层关键块稳定特征与充填体稳定性之间的关系ꎮ但目前学者对充填体加固技术缺乏针对性、系统性研究ꎬ多数凭工程实践经验确定充填体加固技术参数ꎬ尤其是对拉锚杆和钢筋梯子梁的选用ꎮ当采用经验选取的加固参数不合理时ꎬ充填体会出现鼓包、开裂、倾斜等现象ꎬ进而导致其垮塌、失稳ꎮ为此ꎬ笔者课题组提出的一种沿空留巷加固充填体结构及其施工方法[９]ꎬ同步实现了充填和加固充填体ꎮ笔者在校正充填体数值模拟参数的基础上ꎬ通过分析钢筋梯子梁直径、对拉锚杆直径以及对拉锚杆数量等多种加固技术影响因素对其承载能力的影响ꎬ确定了充填体合理的加固参数ꎬ并将其研究成果应用于三河尖千米深井７１３６工作面沿空留巷工程实践中ꎬ工程实践结果表明ꎬ围岩变形量均在可控范围内ꎬ成功应用于现场实践ꎬ解决了深部沿空留巷充填体大变形问题ꎬ为深部沿空留巷充填体加固技术提供了一定的指导作用ꎮ１　充填体加固机理分析随着工作面的回采ꎬ逐段构筑的巷旁充填体将承受直接顶和基本顶传递而来的载荷ꎬ同时承受基本顶破断后顶板运动过程中的高应力ꎬ从而在工作面后方形成较高的支承压力ꎬ导致充填体两侧自由面裂隙的产生、发育及贯通ꎬ充填体的完整性和承载能力将大受影响ꎮ为使沿空留巷取得成功ꎬ充填体应具有足够的承载能力和抵抗变形能力[１０－１４]ꎬ通过作者研究ꎬ充填体加固作用机理主要有以下５个方面[１５]:①增加充填体自由面围压ꎻ②提高充填体力学参数ꎻ③提高充填体的内部稳定性ꎻ④改变了充填体的破坏形态ꎬ延缓充填体破坏ꎻ⑤柔性结构ꎬ可充分发挥高水材料的塑性性能ꎮ目前充填体加固技术除本身力学性能外ꎬ主要包括对拉锚杆参数和钢筋梯子梁等ꎮ其加固示意如图１所示ꎮ图１　充填体加固示意Ｆｉｇ􀆰１　Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｂａｃｋｆｉｌｌｂｏｄｙ２　充填体加固技术研究２.１　数值计算模型建立及校正为了确定高水材料充填体的合理力学参数ꎬ采用该方法具有减小了对网格的依赖度ꎬ改善了材料峰后应变硬化的问题ꎬ可更真实地模拟围岩损伤及断裂情况ꎮ节理接触面的法向刚度、切向刚度、黏聚力、内摩擦角和抗拉强度由岩石强度决定ꎬ这些参数与三角形块体的体积模量、剪切模量等参数共同影响岩体的力学行为ꎮ接触面上的法向刚度Ｋｎ和切向刚度Ｋｓ可以由岩石的体积模量Ｋ和剪切模量Ｇ计算[１６－１７]:Ｋｎ＝ｎＫ＋４Ｇ/３ΔＺｍｉｎæèçöø÷(１)其中:ΔＺｍｉｎ为块体的最小边长ꎻ１≤ｎ≤１０１≤ｎ≤１０ꎮＫｓ＝０.４ＫｎＫｓ＝０.４Ｋｎ(２)在Ｔｒｉｇｏｎ模型中ꎬ块体之间的接触面采用摩４７２陈　勇等:沿空留巷巷旁充填体稳定性控制技术研究２０１９年第９期尔－库仑准则对岩体的力学行为进行控制ꎮ接触面法向方向ꎬ应力应变之间存在线性关系ꎬ和法向刚度ｋｎ相关ꎬ见式(３)ꎮΔσｎ＝－ｋｎΔμｎ(３)其中:Δσｎ为接触面上的法向应力增量ꎻΔμｎ为接触面上的法向变形增量ꎮ在接触面上存在抗拉强度Ｔꎬ如果接触面上的拉应力超过抗拉强度ꎬ则σｎ＝０ꎮ在接触面切向方向ꎬ接触面的力学行为与切向刚度有关ꎮ剪应力τｓꎬ由接触面力学参数黏聚力Ｃ和内摩擦角φ确定ꎮ如果τｓ≤Ｃ＋σｎｔａｎφ＝τｍａｘ(４)则Δτｓ＝－ｋｓΔμｅｓ(５)如果τｓ≥τｍａｘ(６)则τｓ＝τｍａｘｓｉｎ(Δμｅｓ)(７)式中:Δμｅｓ为弹性阶段切向变形增量ꎻΔμｓ为总的切向变形增量ꎮ利用ＵＤＥＣ６.０Ｔｒｉｇｏｎ进行模拟ꎬ建立高２０ｃｍꎬ宽１０ｃｍ的高水材料单轴压缩试块模型ꎬ高水材料采用应变软化模型ꎬ通过不断调整模型的力学参数ꎬ将得到高水材料(水灰比为１.５∶１.０)单轴压缩试块应力应变曲线与实验室得到的应力应变曲线进行比对ꎬ直至两者基本吻合ꎬ如图２所示ꎬ表明参数选取是合理的ꎬ可以用来研究充填体加固技术ꎮ得到充填体的物理力学参数见表１ꎮ表１　数值模拟力学参数Ｔａｂｌｅ１　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ块体单元参数密度/(ｋｇ􀅰ｍ－３)弹性模量/ＧＰａ黏聚力/ＭＰａ内摩擦角/(°)抗拉强度/ＭＰａ节理岩体参数法向刚度/ＧＰａ切向刚度/ＧＰａ黏聚力