沿空留巷充填體的工程設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u27875沿空留巷充填體的工程設(shè)計案例 1172451.1沿空留巷充填體材料的選擇及充填體寬度 1274391.1.1沿空留巷充填體材料選擇 1191731.2.2巷旁充填體寬度 2234091.2沿空留巷的數(shù)值模擬研究（NumericalSimulationResearchonGob-sideentry） 2151581.2.1某礦工程地質(zhì)概況 2180141.2.2巷道斷面支護情況 3187971.2.3數(shù)值模擬分析 699461.3沿空留巷經(jīng)濟效益（EconomicBenefitsofGob-SideEntry） 121.1沿空留巷充填體材料的選擇及充填體寬度1.1.1沿空留巷充填體材料選擇根據(jù)充填材料不同大致可分為：矸石帶巷旁支護、混凝土巷旁支護、膏體材料巷旁支護、高水材料巷旁支護等。矸石帶巷旁支護有著節(jié)省支護材料、穩(wěn)定性較好的優(yōu)點；缺點是矸石帶的可縮量大、前期支護阻力小、頂板下沉量大，構(gòu)筑矸石帶的勞動強度大,封閉采空區(qū)效果較差，適用于頂板韌性較大的薄煤層[8]。預(yù)制混凝土墻作為沿空巷道巷旁支護材料時，要將預(yù)制的混凝土塊使用水泥漿構(gòu)筑成墻，然后使用水泥漿對墻體進行封閉，以達成封閉采空區(qū)的目的。預(yù)制混凝土墻在實施過程中存在以下弊端:混凝土墻自身可承受的外力較大，但使用混凝土墻時，不能保證混凝土墻及時接頂，從而達不到及時支護的目的;預(yù)制混凝土墻的運輸工作量極大，影響沿空留巷封閉速度，制約生產(chǎn);混凝土墻依靠水泥砂漿連接，連接效果差，受壓時，極易破壞，從而影響沿空留巷效果[28]。膏體材料巷旁支護是由膠結(jié)料與矸石加水?dāng)嚢杌旌暇鶆蛐纬筛囿w狀充填材料、由膏體充填泵泵送、鋼管輸送到回采工作面后方在模板構(gòu)筑的充填空間內(nèi)凝結(jié)而成。以矸石為集料的膏體材料在保留高水速凝材料力學(xué)特性的基礎(chǔ)上顯著降低巷旁支護成本，并可利用大量矸石，其中矸石占固體材料總重的85%以上，材料成本可以控制在90元/m3以內(nèi)，促成礦井的綠色開采。膏體材料巷旁支護體具有早期強度大，增阻速度快的特點,4h達到0.7MPa,1d達到1.9MPa以上,可以有效支撐采空區(qū)后方巷道頂板、切落采空區(qū)側(cè)下位頂板，減小巷旁支護及巷內(nèi)支護的載荷，減小巷道變形，7d達到1.6MPa以上,可以滿足切頂要求.膏體材料巷旁支護的塑性變形特征顯著，在載荷達到峰值強度后，并不會立即破壞、從而喪失承載能力，只是隨著變形增大，承載能力緩慢下降，下降速度遠小于一般的脆性材料[8]。高水速凝材料支護技術(shù)對沿空留巷圍巖活動規(guī)律的適應(yīng)性強：增阻速度快，能夠在短時間內(nèi)達具備較高阻力；支護阻力大，能切落一定高度的頂板，阻止直接頂旋轉(zhuǎn)下沉；具備一定的可伸縮量，既能適應(yīng)頂板一定程度上的下沉，又能保持自身穩(wěn)定性；巷道維護效果好，巷道變形量小、形狀容易保持穩(wěn)定；材料易于遠距離輸送，機械化程度高，構(gòu)筑充填體速度快，工藝簡單，工人勞動強度有所降低；不論是薄，中厚煤層還是厚煤層，都具有良好的適用性[9]。充填體使用2.0∶1的水灰比時,充填體初凝時間為4～6min,2h抗壓強度可達2.8MPa,24h抗壓強度1.8MPa,7d抗壓強度7.2MPa,最終能達到8.2MPa[29]。由于本礦3號煤層不具有自燃發(fā)火傾向，并不迫切需要高水材料來處理采空區(qū)自燃發(fā)火。從礦井主動支護設(shè)備共性來看，巷旁支護體充填材料同樣也需要一定的支護阻力和可伸縮性。根據(jù)本礦1400采區(qū)巷道采空區(qū)側(cè)所需支護阻力13.65MPa來綜合考慮，優(yōu)先采用膏體材料，其可處理掉大量礦井廢棄矸石，減少地面矸石山堆積而占用額外土地，以及矸石山自燃污染大氣環(huán)境的問題[30]；并具有很好的經(jīng)濟效益，并可促進礦井的綠色化開采。1.2.2巷旁充填體寬度巷旁支護體寬度設(shè)計是沿空留巷巷旁支護的一個重要參數(shù)，其不僅影響著巷旁支護體本身的穩(wěn)定性，而且對留巷圍巖的穩(wěn)定性也有重要的影響，還涉及到沿空留巷的經(jīng)濟效益與勞動強度。支護體寬度過窄，穩(wěn)定性較差，受基本頂回轉(zhuǎn)下沉產(chǎn)生的集中應(yīng)力下容易發(fā)生破壞、失穩(wěn)的現(xiàn)象;而隨著寬度的增加，巷旁支護體的穩(wěn)定性也增加，但過寬的巷旁支護不但增加經(jīng)濟成本，而且也增加輔助運輸和施工勞動量。因此，巷旁支護體需要一個合理的寬度[31]。由上文所求得巷道采空區(qū)側(cè)所需支護強度13.65MPa，以及所確定膏體充填材料強度1.6MPa來確定，則沿空留巷巷旁支護體寬度為：2.97m，取整為3m。1.2沿空留巷的數(shù)值模擬研究（NumericalSimulationResearchonGob-sideentry）1.2.1某礦工程地質(zhì)概況某煤礦主采3#煤層，該煤層全區(qū)穩(wěn)定可采，煤層厚3.04～6.48m，平均厚約1.5m，結(jié)構(gòu)簡單。3#煤工作面煤層埋深345-355m，平均埋深350m。礦井垂直應(yīng)力最大為9.85MPa，最小為8.94MPa。平均為9.5MPa。水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力基本相等。工作面長150m，推進長度為1000~1300m。3#煤層的單軸抗壓強度均值為5.19MPa，彈性模量為1.79GPa，3#煤層單軸抗拉強度為0.57MPa，3#煤層內(nèi)聚力為0.87MPa，內(nèi)摩擦角為38.5°。1.2.2巷道斷面支護情況1400采區(qū)1404工作面回采巷道斷面及永久支護技術(shù)參數(shù)：1404掘進工作面斷面為矩形，正巷毛斷面寬×高＝5.5m×1.0m，凈斷面寬×高＝5.3m×3.9m；副巷毛斷面寬×高＝5.0m×1.0m，凈斷面寬×高＝1.8m×3.9m。圖4-1正巷支護斷面圖Figure4-1Crosssectionofmainroadwaysupport圖4-2正巷支護平面展開圖Figure4-2Planeunfoldedplanofmainroadwaysupport圖4-3副巷支護斷面圖Figure4-3Crosssectionofsecondaryroadwaysupport圖4-4副巷支護平面展開圖Figure4-4Planeunfoldedplanofsecondaryroadwaysupport1400采區(qū)回采巷道超前支護采用DW45-250/110XL型單體液壓支柱配Ф320橡膠柱帽進行超前支護。單體柱最大高度4500mm，最小高度2533mm，工作行程1967mm，工作阻力為250kN，初撐力132.4～176.7kN。超前支護距離不少于20m；要求打牢，支柱成一直線；π型鋼梁兩端須分別使用不少于一道12#的鐵絲與頂網(wǎng)捆緊，防止鋼梁跌落；支、回柱時須三人以上配合作業(yè)，禁止單人操作；回柱時須有專人看護頂板、煤幫情況；嚴格執(zhí)行“先支后回”；超前范圍內(nèi)所有單體柱要與頂網(wǎng)或鋼帶用防倒繩聯(lián)好。1.2.3數(shù)值模擬分析為了進一步研究某礦1400采區(qū)工作面沿空留巷巷旁充填體的可行性，本文采用FLAC3D軟件對某礦1400采區(qū)工作面沿空留巷巷旁充填體的采動前后圍巖應(yīng)力變化情況，理論寬度充填墻體的穩(wěn)定性，進行數(shù)值模擬分析。FLAC3D主要適應(yīng)于模擬計算地質(zhì)材料和巖土工程的力學(xué)行為，特別是材料達到屈服極限后產(chǎn)生的塑性流動，在模擬過程中，網(wǎng)格節(jié)點的位置隨著模型的屈服流動而發(fā)生改變，適用于沿空留巷大變形模擬。根據(jù)某礦1400采區(qū)工作面的工程地質(zhì)條件，建立對應(yīng)數(shù)值分析模型，模型參數(shù)為：模型尺寸106m×90m×86m，煤厚1.5m，巷道斷面形狀為矩形，高×寬=1.0m×5.5m，工作面長度取50m，巷道支護參數(shù)依照井下正常地質(zhì)條件時的支護參數(shù)選取。模型底邊進行垂直位移固定，模型四周進行水平位移固定，煤層埋深350m，上邊界施加上覆巖層自重約為7.385MPa，側(cè)壓系數(shù)為1，模型計算時煤層和巷旁充填體采用應(yīng)變軟化模型，其余巖體采用莫爾-庫侖模型。數(shù)值模型計算過程為：建立模型→計算原巖平衡→開掘巷道→巷道支護→工作面回采→沿空留巷巷旁充填體充填→計算分析。初始數(shù)值計算模型如圖4-5所示，數(shù)值計算模型巖體力學(xué)參數(shù)見表4-1。圖4-5數(shù)值計算模型Figure4-5Numericalcalculationmode

表4-1巖體力學(xué)參數(shù)表Table4-1rockmechanicsparametertable巖性厚度/m密度/kg.m-3彈性模量/Gpa泊松比內(nèi)聚力/Mpa內(nèi)摩擦角/°抗拉強度/MPa細砂巖1.225401.010.252.0351.0粉砂質(zhì)泥巖6.825305.420.152.16360.75中細粒砂巖6.227205.20.255.237.62.81頁巖5.026503.00.223.63360.9中細粒砂巖9.827205.20.255.237.62.81頁巖6.826503.00.223.63360.9砂質(zhì)泥巖1.125503.450.287.6303泥質(zhì)粉砂巖8.426309.10.206.0352.5粉砂質(zhì)泥巖6.325305.420.152.16360.753號煤層1.514001.790.260.8738.50.57粉砂質(zhì)泥巖1.425305.420.152.16360.75煤0.814001.790.260.8738.50.57粉砂巖1.5268010.080.28383.5粉砂質(zhì)泥巖5.525305.420.152.16360.75石灰?guī)r1.5280010.960.1811.4386.7粉砂質(zhì)泥巖8.725305.420.152.16360.75石灰?guī)r1.5280010.960.1811.4386.7圖4-6初始地層垂直應(yīng)力云圖Figure4-6Initialformationverticalstresscloudmap圖4-7開挖巷道垂直位移云圖Figure4-7Cloudmapofverticaldisplacementofexcavatedroadway圖4-8開挖巷道垂直位移云圖Figure4-8Cloudmapofverticaldisplacementofexcavatedroadway巷道開挖應(yīng)力云圖和位移云圖如圖4-7，4-8所示，巷道掘進期間，初始地應(yīng)力被重新分布，在巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)了一定的低應(yīng)力區(qū)，垂直應(yīng)力峰值轉(zhuǎn)移到了巷旁幫內(nèi)，達到約12.5MPa，呈近乎對稱的狀態(tài)；頂?shù)装逦灰?.7cm左右，整體位移量較小，巷道整體保持穩(wěn)定。

（1）充填體垂直應(yīng)力模擬結(jié)果分析（1）距工作面10m（2）距工作面15m（3）距工作面20m（4）距工作面30m圖4-9沿空留巷垂直應(yīng)力云圖Figure4-9CloudMapofVerticalStressofgob-sideentry沿空留巷垂直應(yīng)力云圖如圖4-9所示，隨著工作面的推進，3m寬度充填墻體所受垂直應(yīng)力于距工作面后約15m達到峰值約為11MPa，隨后開始逐漸降低。因其峰值強度小于充填體設(shè)計強度13.65MPa，可達到留巷安全使用的效果。（2）充填體變形量模擬結(jié)果分析圖4-10充填墻體垂直位移量Figure4-10Verticaldisplacementoffillingwall充填墻體垂直位移量如圖4-10所示，3m寬度充填墻體在距工作面7.5m左右變形開始急劇增加，到30m開始趨于穩(wěn)定，并最終穩(wěn)定在25cm左右，整體變形量較小，原巷道頂板達到可以穩(wěn)定控制的效果。（3）沿空留巷塑性區(qū)模擬結(jié)果分析圖4-11峰值應(yīng)力塑性區(qū)云圖Figure4-11Cloudmapofpeakstressplasticzone由圖4-11可知，塑性區(qū)主要分布在充填墻體靠采空區(qū)側(cè)，主要是由拉伸破壞所造成的；留巷煤幫側(cè)有部分塑性區(qū)分布，主要是由于煤幫處于采空區(qū)邊緣，相當(dāng)于懸臂梁的根部，同時煤體抗拉強度低，因此造成部分塑性區(qū)分布，生產(chǎn)現(xiàn)場主要表現(xiàn)為片幫現(xiàn)象，補強支護后片幫現(xiàn)象能夠加以改善，充填墻體除內(nèi)部存在小區(qū)域塑性區(qū)外基本無其他塑性區(qū)分布，說明3m寬度充填墻體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，可以用于該礦沿空留巷。（4）2.5m沿空留巷效果模擬沿空留巷膏體材料巷旁充填體寬度的適量減少，對節(jié)省材料，減少工序和提高產(chǎn)能效率有著很大意義，因此嘗試把充填墻體寬度從3m縮減到2.5m，進行模擬，觀察其留巷效果。從下圖4-12來看，距工作面15m時，充填墻體內(nèi)垂直應(yīng)力已達到14MPa，超出充填體設(shè)計強度13.65MPa。由圖4-13可知，2.5m充填墻體內(nèi)在峰值應(yīng)力下大部分變?yōu)闉樗苄詤^(qū)，已經(jīng)不能達到穩(wěn)定原巷道的作用，對礦井的安全生產(chǎn)產(chǎn)生威脅。綜上所述，因此摒棄2.5m寬度充填墻體方案。圖4-12沿空留巷垂直應(yīng)力云圖Figure4-12CloudMapofVerticalStressofgob-sideentry圖4-13塑性區(qū)云圖Figure4-13Cloud