張自政,柏建彪,王衛(wèi)軍，陳 勇，于憲陽

(1.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點實驗室，湖南 湘潭 411201; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心，遼寧 阜新 123000; 3.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

沿空留巷充填區(qū)域直接頂受力狀態(tài)探討與應(yīng)用

張自政1，2,柏建彪3,王衛(wèi)軍1，陳 勇3，于憲陽1

(1.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點實驗室，湖南 湘潭 411201; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心，遼寧 阜新 123000; 3.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

針對綜采放頂煤、復(fù)合頂板等松軟破碎頂板沿空留巷直接頂穩(wěn)定控制難題，根據(jù)沿空留巷頂板活動的時空特征，建立了沿空留巷充填區(qū)域直接頂彈性損傷力學(xué)模型，推導(dǎo)了充填區(qū)域直接頂應(yīng)力分布表達(dá)式，研究了充填區(qū)域直接頂應(yīng)力分布演化規(guī)律，進(jìn)而得到了充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力范圍和水平錯動范圍計算式及相應(yīng)的演化規(guī)律。結(jié)果表明：充填區(qū)域直接頂受力狀態(tài)受基本頂回轉(zhuǎn)下沉角和直接頂損傷變量的影響，隨著基本頂回轉(zhuǎn)下沉角的增加，拉應(yīng)力作用范圍逐漸減小，水平錯動范圍逐漸增大。結(jié)合新元煤礦3107工作面沿空留巷的工程地質(zhì)條件，提出了分區(qū)域動態(tài)加固沿空留巷充填區(qū)域直接頂?shù)目刂茖Σ?，工程?yīng)用表明，沿空留巷充填區(qū)域頂板下沉量得到了有效地控制，沿空留巷圍巖穩(wěn)定性較好。

沿空留巷;充填區(qū)域;直接頂;受力狀態(tài);變分法

沿空留巷作為無煤柱開采的重要技術(shù)路徑，其具有降低巷道掘進(jìn)率、緩解采掘接替緊張、提高煤炭采出率、消除多煤層開采煤柱區(qū)域的應(yīng)力集中效應(yīng)、實現(xiàn)工作面Y型通風(fēng)、解決隅角瓦斯積聚、降低工作面溫度、改善作業(yè)環(huán)境等優(yōu)點[1-4]。隨著煤礦巷內(nèi)錨桿支護(hù)技術(shù)的加強(qiáng)和巷旁充填技術(shù)的發(fā)展，沿空留巷技術(shù)在頂板條件較好的礦區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，而綜采放頂煤[5-8]、松軟頂板[9]、復(fù)合頂板[10]等條件下的沿空留巷正逐步開展。

當(dāng)開展巷旁充填沿空留巷時，巷旁充填體上方的充填區(qū)域直接頂起著向下傳遞基本頂對巷旁充填體的載荷和旋轉(zhuǎn)變形、向上傳遞巷旁充填體對基本頂?shù)闹巫饔茫搮^(qū)域直接頂穩(wěn)定性差。因此，充填區(qū)域直接頂?shù)姆€(wěn)定狀況是綜采放頂煤、復(fù)合頂板等松軟破碎頂板沿空留巷能否成功的關(guān)鍵之一。部分學(xué)者針對沿空留巷直接頂或者基本頂?shù)淖冃我?guī)律進(jìn)行了較多的研究[11-14]，但都是著眼于頂板下沉量的影響因素及影響規(guī)律，頂板的應(yīng)力分布演化規(guī)律甚少研究?；诖?，本文以山西省陽煤集團(tuán)新元煤礦高瓦斯突出煤層沿空留巷為工程背景，將沿空留巷不同時期基本頂對直接頂?shù)淖饔靡暈榻o定變形，采用彈性損傷力學(xué)的方法，研究不同時期沿空留巷充填區(qū)域直接頂?shù)膽?yīng)力分布和受力狀態(tài)，揭示沿空留巷充填區(qū)域直接頂變形的力學(xué)機(jī)制，研究結(jié)果對開發(fā)沿空留巷充填區(qū)域直接頂?shù)姆€(wěn)定控制技術(shù)提供了依據(jù)，有助于提高較差頂板條件下的沿空留巷技術(shù)的工程應(yīng)用與推廣。

1 沿空留巷充填區(qū)域直接頂不同時期的應(yīng)力解析

1.1 沿空留巷充填區(qū)域直接頂活動的時空特征

孫恒虎[15]、李化敏[16]、漆泰岳[17]、陳勇[18]等學(xué)者根據(jù)沿空留巷頂板活動特征，分別提出了沿空留巷圍巖活動的時空劃分。根據(jù)諸位學(xué)者的研究成果可知：

(1)直接頂首先在采空區(qū)一側(cè)發(fā)生破斷(此時直接頂處于一端固支的懸臂梁狀態(tài))，然后在實煤體上方發(fā)生第2次破斷(此時直接頂處于一端簡支的懸臂梁狀態(tài));

(2)當(dāng)直接頂垮落可以充滿采空區(qū)時，基本頂巖層會形成穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示;當(dāng)直接頂垮落無法充滿采空區(qū)的時候，下位基本頂會繼續(xù)垮落直至充滿采空區(qū)，此時上位基本頂最終會在沿空留巷巷道上方形成穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。

圖1 沿空留巷頂板結(jié)構(gòu)Fig.1 Roof structure in gob-side entry retaining

因此，基于沿空留巷充填區(qū)域直接頂在不同時期的活動特點，可以將沿空留巷充填區(qū)域反復(fù)受載直接頂受載階段分為工作面超前采動影響階段、液壓支架支撐階段、無巷旁充填體支撐階段(臨時支護(hù)階段)、巷旁充填體增阻支撐階段和巷旁充填體穩(wěn)定支撐階段。

1.2 沿空留巷充填區(qū)域直接頂力學(xué)模型

在沿空留巷過程中，直接頂首先受到超前支承應(yīng)力作用，巖體逐漸積累了損傷，而后當(dāng)直接頂受到基本頂“給定變形”和下方巷內(nèi)支護(hù)阻力與巷旁支護(hù)阻力作用時，積聚大量的彈性變形能，隨著直接頂?shù)淖冃?，彈性變形能會逐步釋放直至直接頂變形穩(wěn)定。因此，可近似認(rèn)為直接頂為損傷變形體，利用能量變分理論求解充填區(qū)域直接頂?shù)膽?yīng)力分布問題。

根據(jù)沿空留巷頂板活動規(guī)律，基本頂以“給定變形”方式作用于下方直接頂。由于基本頂?shù)膭偠冗h(yuǎn)大于直接頂和實體煤，因此沿空留巷直接頂上邊界為基本頂施加“給定變形”的位移邊界，下邊界受到巷內(nèi)支護(hù)阻力p1、充填區(qū)域錨桿錨索支護(hù)阻力p2、巷旁支護(hù)阻力q以及極限平衡區(qū)范圍內(nèi)的直接頂所受支承應(yīng)力σyf的作用。巷道頂板左邊界可視為固定邊界，右邊界巷旁充填體，同時與采空區(qū)冒落矸石接觸，破碎矸石作用于直接頂?shù)乃酵屏閜3，這樣可建立直接頂一端固支懸臂梁模型如圖2所示，其中直接頂厚度為hi。

圖2 沿空留巷直接頂力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of immediate roof in gob-side entry retaining

巷道開挖后，實煤體幫出現(xiàn)應(yīng)力集中，實煤體幫出現(xiàn)彈塑性分區(qū);工作面回采期間，受采動支承應(yīng)力影響，實煤體幫應(yīng)力集中系數(shù)增大，實煤體幫塑性區(qū)進(jìn)一步向深部發(fā)展直至達(dá)到應(yīng)力峰值位置，即直接頂固支端位置。根據(jù)極限平衡區(qū)理論，實煤體幫峰值應(yīng)力所處位置L1可以采用式(1)[19]計算

式中，Cf為分界面的黏聚力，MPa;φf為分界面內(nèi)摩擦角，(°);λ為側(cè)壓系數(shù);hr為巷道高度，m;k0為實煤體幫側(cè)向支承應(yīng)力集中系數(shù);H0為沿空留巷巷道頂板處的埋深，m;px為實體煤幫支護(hù)強(qiáng)度。

實煤體支承應(yīng)力σyf可以根據(jù)式(2)[19]計算

1.3 沿空留巷充填區(qū)域直接頂應(yīng)力的位移變分法

在一般應(yīng)變狀態(tài)下，直接頂儲存的形變勢能為

由于直接頂在Z方向(工作面開采方向)可視為無限長，本問題為平面應(yīng)變問題，采用位移變分法求解該問題[20]。直接頂儲存的形變勢能采用位移分量可表示為

假設(shè)直接頂位移分量u,v發(fā)生了位移邊界條件所允許的微小變化δu,δv，則得到拉格朗日位移變分方程為

取直接頂位移分量表達(dá)式為

將式(6)代入式(5)，可得直接頂位移變分方程為

根據(jù)直接頂力學(xué)模型，得到其邊界條件如下：

體力分量：X=0，Y=-ρg;

面力邊界條件：

實際上，如果位移分量僅取少數(shù)的待定系數(shù)，將無法求得直接頂精確的應(yīng)力解析解[20]。因此，為了獲取較為精確的應(yīng)力解析解，可以取位移分量表達(dá)式為

式中，L0=L1+a+b。

顯然，式(8)滿足問題的位移邊界條件，可用里茨位移變分法求解，將式(8)代入式(4)得直接頂應(yīng)變能為

根據(jù)式(9)積分結(jié)果，可計算得到式(7)左邊各偏導(dǎo)結(jié)果為

根據(jù)式(7)和邊界條件可求得式(7)等號右側(cè)為

聯(lián)立式(10)～(13)可以得到S1，S2，B1，B2的四元一次方程組。采用Matlab解之，可得S1，S2，B1，B2的解析解，限于篇幅，這里不再展開。將S1，S2，B1，B2代入式(8)即可得到位移分量u，v。

根據(jù)幾何方程及物理方程，可知直接頂應(yīng)力分量為

當(dāng)考慮直接頂損傷時，根據(jù)連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)，式(14)可以改寫為

式中，Di為直接頂損傷變量，可以根據(jù)直接頂巖樣在卸圍壓試驗過程中彈性模量的損傷規(guī)律確定[21]。

根據(jù)式(13)，式(15)可以改寫為

根據(jù)式(16)可知，沿空留巷充填區(qū)域直接頂應(yīng)力分布主要與基本頂回轉(zhuǎn)下沉角、直接頂厚度、采高、直接頂損傷變量等因素有關(guān);基本頂回轉(zhuǎn)下沉角改變致使充填區(qū)域直接頂?shù)膽?yīng)力分布迥異。

2 不同時期沿空留巷充填區(qū)域直接頂?shù)膽?yīng)力分布特征

2.1 工程背景

山西省陽煤集團(tuán)新元煤業(yè)有限公司3107工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷沿空留巷工程為背景。該工作面平均埋深500 m，傾斜長度240 m，走向長度1 592 m，煤層傾角平均為4°，煤層平均厚度為2.8 m，3107輔助進(jìn)風(fēng)巷斷面為寬×高=4.8 m×3.0 m，沿3號煤層頂板掘進(jìn)，沿空留巷采用水灰比1.5∶1的高水充填材料在采空區(qū)構(gòu)筑巷旁充填體，巷旁充填體寬度為2.0 m，留巷寬度為5.2 m，3107輔助進(jìn)風(fēng)巷采用錨網(wǎng)索支護(hù)。直接頂為平均厚度7.1 m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為平均厚度5.4 m的中砂巖，直接底為平均厚度1.5 m的泥巖，基本底為平均厚度2.1 m的砂質(zhì)泥巖。

2.2 不同時期充填區(qū)域直接頂?shù)膽?yīng)力分布特征

結(jié)合新元煤礦3107工作面實際生產(chǎn)地質(zhì)條件，實煤體幫側(cè)壓系數(shù)λ為1.2，側(cè)向支承應(yīng)力集中系數(shù)k0為2.0，巷道頂采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷內(nèi)頂板支護(hù)強(qiáng)度p1為0.2 MPa，實煤體幫支護(hù)強(qiáng)度px為0.1 MPa，直接頂為7.1 m厚的砂質(zhì)泥巖，上覆巖層平均容重γ為2.5×104N/m3，分界面黏聚力Ci為1.35 MPa，內(nèi)摩擦角φi為13.13°，3107工作面采用ZY6800/17/35掩護(hù)式液壓支架，液壓支架支護(hù)強(qiáng)度最大為1.0 MPa;3107工作面巷旁充填體采用高水材料構(gòu)筑，巷旁充填體支護(hù)強(qiáng)度最大為8 MPa。根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗，直接頂黏聚力Ci為2.7 MPa，內(nèi)摩擦角φi為26.259°，彈性模量E為4.96 GPa，泊松比μ為0.21。將以上數(shù)據(jù)代入式(1)，(2)可以計算得到L1=12.75 m，系數(shù)A0=5.871×106，A1=0.13，A2=-5.788×106。

考慮到不同時期沿空留巷充填區(qū)域直接頂常見的支護(hù)技術(shù)和支護(hù)強(qiáng)度的差異性，在以上4個時期p2，p3，q典型取值見表1。

表1不同時期p2，p3，q典型取值
Table1Typicalvaluesofp2,p3,qduringfourdifferentstagesMPa

根據(jù)眾多沿空留巷工程實踐，在沿空留巷全過程中基本頂回轉(zhuǎn)下沉角θ最大可達(dá)3°～6°，取工作面液壓支架支撐階段基本頂回轉(zhuǎn)下沉角θ為1°、無巷旁充填體支撐階段基本頂回轉(zhuǎn)下沉角θ為2°、巷旁充填體增阻支撐階段基本頂回轉(zhuǎn)下沉角θ為3°、巷旁充填體穩(wěn)定支撐階段基本頂回轉(zhuǎn)下沉角θ為4°;根據(jù)直接頂巖樣室內(nèi)試驗結(jié)果，取工作面液壓支架支撐階段直接頂損傷變量為0.069、無巷旁充填體支撐階段直接頂損傷變量為0.174、巷旁充填體增阻支撐階段直接頂損傷變量為0.3、巷旁充填體穩(wěn)定支撐階段直接頂損傷變量為0.35。將以上結(jié)果代入式(16)可以得到充填區(qū)域直接頂垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布特征分別如圖3～6所示，圖中垂直應(yīng)力拉應(yīng)力為“+”，壓應(yīng)力為“-”;水平應(yīng)力向巷內(nèi)一側(cè)為“-”，向采空區(qū)一側(cè)為“+”，到巷內(nèi)邊緣距離均為往采空區(qū)一側(cè)與沿空留巷巷道邊緣距離。

圖3 工作面液壓支架支撐階段充填區(qū)域直接頂垂直 應(yīng)力和水平應(yīng)力分布Fig.3 Vertical stress and horizontal stress of immediate roof above roadside backfill area during working face shield support period

圖4 無巷旁充填體支撐階段充填區(qū)域直接頂垂直應(yīng)力和 水平應(yīng)力分布Fig.4 Vertical stress and horizontal stress of immediate roof above roadside backfill area during period without roadside backfill body

圖5 巷旁充填體增阻支撐階段充填區(qū)域直接頂垂直應(yīng)力 和水平應(yīng)力分布Fig.5 Vertical stress and horizontal stress of immediate roof above roadside backfill area during roadside backfill body resistance increasing period

圖6 巷旁充填體穩(wěn)定支撐階段充填區(qū)域直接頂垂直應(yīng)力 和水平應(yīng)力分布Fig.6 Vertical stress and horizontal stress of immediate roof above roadside backfill area during period with constant roadside backfill body resistance

由圖3～6可知，工作面液壓支架支撐階段、無巷旁充填體支撐階段、巷旁充填體增阻支撐階段、巷旁充填體穩(wěn)定支撐階段充填區(qū)域直接頂垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布有以下特征：

(1)在充填區(qū)域直接頂厚度方向上，存在一個垂直應(yīng)力零點，即垂直應(yīng)力由拉應(yīng)力過渡為壓應(yīng)力的臨界點，充填區(qū)域直接頂存在一定厚度的拉應(yīng)力作用范圍;往采空區(qū)方向隨著到巷內(nèi)邊緣距離的增大，處于拉應(yīng)力作用范圍的充填區(qū)域直接頂?shù)拇怪睉?yīng)力逐漸增大，處于壓應(yīng)力作用范圍的充填區(qū)域直接頂垂直應(yīng)力也是逐漸增大。

(2)在充填區(qū)域直接頂厚度方向上，至少存在一個水平應(yīng)力零點，即直接頂水平應(yīng)力方向發(fā)生轉(zhuǎn)向(由朝向巷內(nèi)一側(cè)變?yōu)槌虿煽諈^(qū)一側(cè));在液壓支架支撐階段和無巷旁充填體支撐階段均只有一個水平應(yīng)力零點，水平應(yīng)力零點位置由直接頂中部厚度以下逐漸上升到中部厚度以上;在巷旁充填體增阻支撐階段和巷旁充填體穩(wěn)定支撐階段均有兩個水平應(yīng)力零點，分別位于直接頂中部厚度上方和下方;往采空區(qū)方向隨著到巷內(nèi)邊緣距離的增大，方向朝向巷內(nèi)一側(cè)的水平應(yīng)力作用范圍的充填區(qū)域直接頂?shù)乃綉?yīng)力逐漸減小，方向朝向采空區(qū)一側(cè)的水平應(yīng)力作用范圍的充填區(qū)域直接頂?shù)乃綉?yīng)力逐漸增大。

3 不同時期沿空留巷充填區(qū)域直接頂?shù)氖芰顟B(tài)

充填區(qū)域直接頂水平應(yīng)力出現(xiàn)轉(zhuǎn)向表明直接頂巖體將出現(xiàn)層間的水平錯動，如圖7所示。為了進(jìn)一步分析充填區(qū)域直接頂受力狀態(tài)，可以根據(jù)式(16)求得充填區(qū)域直接頂?shù)拇怪睉?yīng)力和水平應(yīng)力的零點位置，進(jìn)而確定充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍和水平錯動范圍，圖7中充填區(qū)域水平錯動下坐標(biāo)dc1和上坐標(biāo)dc2差值即為水平錯動范圍dc。

圖7 充填區(qū)域直接頂水平錯動示意Fig.7 Horizontal dislocation region of immediate roof above roadside backfill area

3.1 充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍

以充填區(qū)域中部為例(x=L1+a+b/2=L0-b/2)，令式(16)中的等式右側(cè)的垂直應(yīng)力σy=0有

可以看出，式(17)是關(guān)于y(直接頂厚度方向)的一元二次方程，其有2個數(shù)值解，舍去負(fù)解，可以求得充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍dt，

3.2 充填區(qū)域直接頂水平錯動范圍

以充填區(qū)域中部為例(x=L1+a+b/2=L0-b/2)，令式(16)中的等式右側(cè)的水平應(yīng)力σx=0有

可以看出，式(19)是關(guān)于y(直接頂厚度方向)的一元二次方程，其有兩個數(shù)值解，當(dāng)兩個數(shù)值解均為正值時，兩個數(shù)值解之差即為充填區(qū)域直接頂水平錯動范圍。因此，可以求得充填區(qū)域直接頂水平錯動范圍dc，即

3.3 沿空留巷充填區(qū)域直接頂受力狀態(tài)演化規(guī)律

3.3.1沿空留巷充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍演化規(guī)律

結(jié)合新元煤礦3107工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，當(dāng)基本頂回轉(zhuǎn)下沉角變化時，代入不同回轉(zhuǎn)下沉角可得充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍，結(jié)果如下圖8所示。

由圖8可知，沿空留巷充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍有以下演化規(guī)律：

(1)無論哪個階段，隨著基本頂回轉(zhuǎn)下沉角的增加，充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍都是逐漸減小，這是由于隨著基本頂回轉(zhuǎn)下沉角的增加，直接頂變形產(chǎn)生的附加水平應(yīng)力增大，直接頂三向受力狀態(tài)改善的緣故;當(dāng)基本頂回轉(zhuǎn)下沉角超過3°后，沿空留巷充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍迅速減小;當(dāng)基本頂回轉(zhuǎn)下沉角達(dá)到4°時，充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍基本接近0。

(2)考慮到沿空留巷中基本頂回轉(zhuǎn)下沉角是逐漸增大的，沿空留巷充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍大小關(guān)系是：工作面液壓支架支撐階段大于無巷旁充填體支撐階段、無巷旁充填體支撐階段大于巷旁充填體增阻支撐階段、巷旁充填體增阻支撐階段大于巷旁充填體穩(wěn)定支撐階段。

(3)工作面液壓支架支撐階段基本頂回轉(zhuǎn)下沉角θ為1°時，充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍是2.18 m;無巷旁充填體支撐階段基本頂回轉(zhuǎn)下沉角θ為2°，充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍是1.39 m;巷旁充填體增阻支撐階段基本頂回轉(zhuǎn)下沉角θ為3°，充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍是1.05 m;巷旁充填體穩(wěn)定支撐階段基本頂回轉(zhuǎn)下沉角θ為4°，充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍是0.1 m。

3.3.2沿空留巷充填區(qū)域直接頂水平錯動范圍演化規(guī)律

結(jié)合新元煤礦3107工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，當(dāng)基本頂回轉(zhuǎn)下沉角變化時，代入不同回轉(zhuǎn)下沉角可得充填區(qū)域直接頂水平錯動范圍，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，沿空留巷充填區(qū)域直接頂水平錯動范圍有以下演化規(guī)律：

圖8 基本頂回轉(zhuǎn)下沉角對充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍Fig.8 Tensile stress depth of immediate roof above roadside backfill area with respect to different main roof rotation angle

圖9 基本頂回轉(zhuǎn)下沉角對充填區(qū)域直接頂水平錯動范圍Fig.9 Horizontal dislocation region of immediate roof above roadside backfill area with respect to different main roof rotation angle

(1)無論哪個階段，隨著基本頂回轉(zhuǎn)下沉角的增加，充填區(qū)域直接頂水平錯動范圍逐漸增大并趨于穩(wěn)定，這是由于隨著頂板回轉(zhuǎn)下沉角的增加，直接頂上部受基本頂擠壓變形產(chǎn)生的朝向巷內(nèi)一側(cè)水平應(yīng)力增大的緣故;充填區(qū)域直接頂下部水平應(yīng)力轉(zhuǎn)向點呈現(xiàn)逐漸減小后趨于穩(wěn)定，上部水平應(yīng)力轉(zhuǎn)向點呈現(xiàn)逐漸增大后趨于穩(wěn)定;沿空留巷充填區(qū)域直接頂水平錯動范圍劇烈增加發(fā)生在工作面液壓支架支撐階段到無巷旁充填體支撐階段。

(2)考慮到沿空留巷中基本頂回轉(zhuǎn)下沉角是逐漸增大的，沿空留巷充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍大小關(guān)系是：工作面液壓支架支撐階段小于無巷旁充填體支撐階段、無巷旁充填體支撐階段小于巷旁充填體增阻支撐階段、巷旁充填體增阻支撐階段小于巷旁充填體穩(wěn)定支撐階段。

(3)工作面液壓支架支撐階段基本頂回轉(zhuǎn)下沉角θ為1°時，厚度方向上充填區(qū)域直接頂水平錯動上下坐標(biāo)是3.19～5.15 m(水平錯動范圍1.96 m);無巷旁充填體支撐階段基本頂回轉(zhuǎn)下沉角θ為2°，厚度方向上充填區(qū)域直接頂水平錯動上下坐標(biāo)是2.97～6.02 m(水平錯動范圍3.05 m);巷旁充填體增阻支撐階段基本頂回轉(zhuǎn)下沉角θ為3°，厚度方向上充填區(qū)域直接頂水平錯動上下坐標(biāo)是2.94～6.11 m(水平錯動范圍3.17 m);巷旁充填體穩(wěn)定支撐階段基本頂回轉(zhuǎn)下沉角θ為4°，厚度方向上充填區(qū)域直接頂水平錯動上下坐標(biāo)是2.92～6.2 m(水平錯動范圍3.28 m)。

(4)沿空留巷充填區(qū)域直接頂水平錯動范圍與巷旁充填體的增阻速度、巷旁充填體穩(wěn)定支護(hù)強(qiáng)度有關(guān)。以巷旁充填體平均支護(hù)強(qiáng)度大小表征巷旁充填體增阻速度，取基本頂回轉(zhuǎn)下沉角為3°，代入不同巷旁充填體平均支護(hù)強(qiáng)度可得巷旁充填體增阻支撐階段充填區(qū)域直接頂水平錯動范圍，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，巷旁充填體增阻速度越大(巷旁充填體平均支護(hù)強(qiáng)度越大)，充填區(qū)域直接頂水平錯動下坐標(biāo)基本不變、上坐標(biāo)逐漸減小，即充填區(qū)域直接頂水平錯動范圍減小。

4 工程應(yīng)用

4.1 控制對策

研究表明：沿空留巷充填區(qū)域直接頂淺部受拉應(yīng)力作用，同時充填區(qū)域直接頂受水平應(yīng)力換向產(chǎn)生的水平層間錯動作用;較大的巷旁充填體增阻速度和較高的巷旁充填體支護(hù)強(qiáng)度有助于減小充填區(qū)域直接頂水平錯動范圍;基本頂回轉(zhuǎn)下沉角的減小也會減小充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍和水平錯動范圍。

圖10 巷旁充填體增阻支撐階段巷旁充填體增阻速度對 充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍Fig.10 Horizontal dislocation region of immediate roof above roa- dside backfill area during roadside backfill body resistance inc- reasing period with respect to different resistance increasing rate

據(jù)此，提出了分區(qū)域動態(tài)加固充填區(qū)域直接頂?shù)目刂茖Σ撸缦拢汗ぷ髅嬉簤褐Ъ苤坞A段采用錨桿錨索支護(hù)，提高充填區(qū)域直接頂圍壓減小拉應(yīng)力作用，提高充填區(qū)域直接頂和基本頂?shù)膶娱g結(jié)合力抑制充填區(qū)域直接頂?shù)乃藉e動;無巷旁充填體支撐階段，提高充填區(qū)域周邊開挖區(qū)域的支護(hù)強(qiáng)度，即采用高阻力單體液壓支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)巷內(nèi)支護(hù)和采用充填液壓支架適當(dāng)提高對頂板的支護(hù)強(qiáng)度;巷旁充填體增阻支撐階段，采用增阻速度快和支護(hù)強(qiáng)度高的巷旁充填材料，減小充填區(qū)域直接頂在較低支護(hù)強(qiáng)度下發(fā)生的變形破壞。

4.2 工程應(yīng)用

根據(jù)新元煤礦3107工作面實際地質(zhì)條件，確定工作面液壓支架支撐階段、無巷旁充填體支撐階段、巷旁充填體增阻支撐階段、巷旁充填體穩(wěn)定支撐階段等四個階段的典型參數(shù)(基本頂回轉(zhuǎn)下沉角)，代入式(19)和(20)可以得到不同階段充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍和水平錯動的范圍，結(jié)果見表2。

表23107工作面4個階段計算結(jié)果
Table2Calculationresultsduringfourdifferentstagesof3107workingface

階段基本頂回轉(zhuǎn)下沉角/(°)拉應(yīng)力作用范圍/m水平錯動范圍(水平錯動最大深度)/m工作面液壓支架支撐階段1218196(515)無巷旁充填體支撐階段2139305(602)巷旁充填體增阻支撐階段3105317(611)巷旁充填體穩(wěn)定支撐階段4010328(620)

在新元煤礦3107工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行了高水材料巷旁充填沿空留巷工業(yè)性試驗，考慮到拉應(yīng)力作用最大范圍為2.18 m，充填區(qū)域直接頂補(bǔ)打錨桿長度確定為2.4 m;考慮到水平錯動范圍最大深度為6.2 m以及錨索錨固長度，充填區(qū)域頂板錨索長度確定為8.3 m。因此，3107工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷沿空留巷具體的圍巖控制方案如下：

(1)巷內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)：頂板補(bǔ)強(qiáng)一排3根φ21.6 mm×L8 300 mm的錨索，補(bǔ)強(qiáng)錨索間排距為1 750 mm×1 600 mm;實煤體幫每兩排錨桿補(bǔ)打一排2根φ21.6 mm×L4 300 mm錨索，靠近頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索向上傾斜10°，距頂板800 mm，靠近底板補(bǔ)強(qiáng)錨索垂直打設(shè)，距底板800 mm。

(2)充填區(qū)域直接頂支護(hù)：每割1刀煤在充填區(qū)域頂板補(bǔ)打1排φ20 mm×L2 400 mm的BHRB335左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm×800 mm，每2排錨桿之間打2根φ21.6 mm×L8 300 mm錨索，每排最外邊上的錨桿分別向采空區(qū)側(cè)傾斜15°，其余錨桿均垂直頂板施工;在待充填區(qū)域外側(cè)布置兩架ZZC8300/22/35型四柱支撐掩護(hù)式充填擋矸支架，支架寬度1.5 m，頂梁長5 326 mm，尾梁長1 389 mm，控頂距577～1 077 mm。

(3)巷旁充填體構(gòu)筑：3107輔助進(jìn)風(fēng)巷沿空留巷巷旁充填體采用水灰比1.5∶1的高水材料構(gòu)筑而成，巷旁充填體寬度2.0 m，高度為采高2.8 m，一次充填長度控制在3.2～4.0 m，即每割4～5刀煤充填一次;巷旁充填體內(nèi)預(yù)埋φ22 mm對拉錨桿以提高巷旁充填體支護(hù)強(qiáng)度，預(yù)埋的對拉錨桿間排距為750 mm×800 mm。

(4)巷內(nèi)臨時加強(qiáng)支護(hù)：在工作面后方100 m范圍內(nèi)采用單體液壓支柱配π型梁臨時加強(qiáng)支護(hù)，架設(shè)3排間距為1 500 mm的單體液壓支柱。充填區(qū)域直接頂支護(hù)和沿空留巷效果如圖11所示。

圖11 充填區(qū)域直接頂支護(hù)和沿空留巷效果Fig.11 Reinforcement of immediate roof above roadside backfill area and gob-side entry retaining effect

3107工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷在沿空留巷期間采用了充填區(qū)域直接頂分區(qū)域動態(tài)加固技術(shù)，在沿空留巷150 m后圍巖變形趨于穩(wěn)定，頂板下沉量277 mm，實煤體幫移近量541 mm，充填體幫移近量114 mm，底鼓量達(dá)到984 mm;巷旁充填體載荷在工作面后方90 m左右達(dá)到最大值12.75 MPa，在工作面后方150 m左右穩(wěn)定在10.2 MPa，沿空留巷圍巖穩(wěn)定性較好，充填區(qū)域直接頂?shù)玫接行Э刂啤?/p>

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)沿空留巷頂板活動規(guī)律，將沿空留巷充填區(qū)域視為彈性損傷變形體，用位移變分法推導(dǎo)了基本頂給定變形條件下充填區(qū)域直接頂?shù)膽?yīng)力計算式，得到了不同時期沿空留巷充填區(qū)域直接頂?shù)膽?yīng)力分布規(guī)律。

(2)根據(jù)沿空留巷充填區(qū)域直接頂應(yīng)力計算式，給出了充填區(qū)域直接頂拉應(yīng)力作用范圍和水平錯動范圍的表達(dá)式及其演化規(guī)律，為沿空留巷充填區(qū)域直接頂穩(wěn)定控制方案提供了依據(jù)。

(3)無論處于那個階段沿空留巷充填區(qū)域直接頂淺部巖層均處于拉應(yīng)力作用范圍，且隨著基本頂回轉(zhuǎn)下沉角的增加，拉應(yīng)力作用范圍逐漸減小，水平錯動范圍逐漸增大。

(4)新元煤礦3107工作面沿空留巷實踐表明：沿空留巷充填區(qū)域直接頂采用分區(qū)域動態(tài)加固技術(shù)有效地控制了充填區(qū)域頂板下沉量和巷旁充填體載荷，增強(qiáng)了沿空留巷整體實施效果。

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Studyonstressstateofimmediateroofabovebackfillareaingob-sideentryretaininganditsapplication

ZHANG Zizheng1,2，BAI Jianbiao3，WANG Weijun1，CHEN Yong3,YU Xianyang1

(1.WorkSafetyKeyLabonPreventionandControlofGasandRoofDisastersforSouthernGoalMines，HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China; 2.ResearchCenterofCoalResourcesSafeMiningandCleanUtilization，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China; 3.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

In order to overcome the problems with the immediate roof control of gob-side entry retaining (GER) in a fully-mechanized top-coal caving longwall,a compound roof longwall and other soft cracked longwall,an elastic damage mechanics model of immediate roof above roadside backfill area (IRRBA) in GER was established,the stress distribution expression of IRRBA in GER was deduced,and the stress distribution evolution of IRRBA in GER was researched based on the space-time movement characteristics of IRRBA in GER.Then,the tensile stress depth and horizontal dislocation region calculation formulas of IRRBA in GER,and the corresponding evolution laws were obtained.Results show that the stress state of IRRBA in GER are associated with the main roof rotation angle and the immediate roof damage variable,and that the tensile stress depth decreases and the horizontal dislocation region increases with the increase of main roof rotation angle.Combined with the 3107 longwall engineering geological conditions of Xinyuan Colliery,the dynamic regional consolidation control countermeasures for IRRBA in GER were put forward.Field practice shows that the application of control countermeasures has achieved an expected effects for the subsidence of IRRBA and surrounding rock stability control in GER.

gob-side entry retaining;bckfill area;immediate roof;stress state;variational method

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1629

TD322

:A

:0253-9993(2017)08-1960-11

國家自然科學(xué)基金資助項目(51574227，51434006)；遼寧省煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心開放基金資助課題(LNTU16KF04)

張自政(1988—)，男，河南信陽人，講師，博士。E-mail：Zhang-zi-zheng@163.com

張自政,柏建彪,王衛(wèi)軍，等.沿空留巷充填區(qū)域直接頂受力狀態(tài)探討與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報,2017,42(8):1960-1970.

ZHANG Zizheng，BAI Jianbiao，WANG Weijun，et al.Study on stress state of immediate roof above backfill area in gob-side entry retaining and its application[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):1960-1970.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1629