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第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤 炭 学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E 7 I Y V 0 1 ．4 6N o ．2 F e b ．2 0 2 1 关键柱柱旁充填岩层控制基础理论 白锦文1 ’2 ⋯，崔博强1 ’2 ，戚庭野1 ”，朱卫兵4 ，王凯1 ”，史旭东1 ”，毋皓田1 ”，康立勋1 ，2 1 ．太原理工大学矿业工程学院，山西太原0 3 0 0 2 4 ；2 ．山西省绿色采矿工程技术研究中心，山西太原0 3 0 0 2 4 ；3 ．山西焦煤集团有限责任公 司，山西太原0 3 0 0 2 4 ；4 ．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州2 2 l l l 6 摘要采空区遗留煤柱群链式失稳表现出明显的联动致灾效应。运用遗留煤柱群链式失稳的关 键柱理论，提出了关键柱柱旁充填岩层控制的技术方法，揭示了关键柱柱旁充填岩层控制的核心机 理，确定了柱旁充填体材料、强度、宽度和形态等技术参数，评价了关键柱柱旁充填岩层控制的效 果，并对其潜在的应用范围与领域进行了展望。结果表明①关键柱柱旁充填岩层控制技术方法 通过在采空区煤柱群体系的关键柱旁边实施柱旁双侧全部充填、柱旁双侧部分充填、柱旁单侧全部 充填或柱旁单侧部分充填等工艺，使采空区中形成的柱旁充填体不仅能对关键柱起到侧护作用，还 能形成“关键柱一柱旁充填体”的协同承载结构体，进而实现采场岩层移动的有效控制，并保障煤炭 资源的安全高效绿色开采。②关键柱柱旁充填岩层控制的核心机理主要体现在4 个方面关键柱 与柱旁充填体的耦合承载、柱旁充填体对关键柱产生侧向约束、关键柱受力状态向应变强化的转 变、关键柱强度的长期劣化减弱。③关键柱柱旁充填体的材料以返井固废充填材料和原位固废充 填材料为主，柱旁充填体的极限抗压强度应大于或等于其分担的载荷，柱旁充填后“遗留煤柱一柱 旁充填体”耦合承载体中屈服区的宽度不能扩展与延伸至“关键柱”的原始弹性核区内，柱旁充填 体的形态主要包括矩式、梯式、台阶式和多级梯式四大类。④柱旁充填后关键柱的应力集中程度 会降低，其两侧塑性核区的宽度减小，且中央区域弹性核区的宽度增大；“关键柱一柱旁充填体”的 应力分布与塑性区分布特征表明关键柱柱旁充填岩层控制的效果良好。⑤关键柱柱旁充填岩层 控制基础理论不仅可以用于采空区遗留煤柱群链式失稳的防控，还能应用于优质遗留煤炭资源复 采和地下空间维护与利用等技术领域，更能推广于非煤矿山资源开采技术领域。 关键词关键柱；柱旁充填；煤柱群链式失稳；协同承载；失稳防控；岩层控制 中图分类号T D 8 2 l文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 0 4 2 4 1 5 F u n d a m e n t a lt h e o r yf o rr o c ks t r a t ac o n t r o lo fk e yp i l l a r - s i d eb a c k n l H n g B A IJ i n w e n l ’2 ”，C U IB o q i a n 9 1 ”，Q IT i n g y e ‘”，z H Uw e i b i n 9 4 ，w A N GK a i l ”，S H Ix u d o n 9 1 一， W UH a o t i a n l 一．K A N GL i x u n l ’2 1 ．c o z z e g e0 ，埘n i 昭孔如加f o g ，，儿0 伽凡‰i 口e 邢妙o ，z k n o f o g ，，％咖D n0 3 0 0 2 4 ，吼i n o ；2 ．m 5 e Ⅱn 如＆n 把ro ，c r e 帆胁凡i 昭E 昭打聊r i 增死c 加z 嗍，抽 鼽。础i №砒c e ，死0 w Ⅱ凡0 3 0 0 2 4 ，吼i 眦；3 ．S o 眦ic 0 以i 增c o o ZG r D 叩c D ．，血d ．，死哆M n0 3 0 0 2 4 ，劬i n 口；4 ．J s c o o z 旷埘n i 增E 昭加唧讥g ，∞i n o ‰i 钟糟砂矿胧凡i 昭o n d ‰ 加f 嗍，，x ￡血o Ⅱ 2 2 1 l1 6 ，吼讥口 A b s t r a c t T h ec h a i ni n s t a b i l i t yo fr e s i d u a lc o a lp i U a r si ng o a fs h o w ss o m eo b v i o u sl i n k a g e i n d u c e dd i s a s t e r 收稿日期2 0 2 0 1 卜3 0修回日期2 0 2 0 一1 2 3 1责任编辑黄小雨 D o I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．x R 2 0 ．1 8 6 9 基金项目国家杰出青年科学基金资助项目 5 1 9 2 5 4 0 2 ；国家自然科学基金青年科学基金资助项目 5 2 0 0 4 1 7 1 ；山 西省回国留学人员科研资助项目 2 0 2 0 0 4 4 作者简介白锦文 1 9 9 0 一 ，男，山西柳林人，副研究员。E m a i l b a i i n w e ，1 6 2 9 s i n ac o m 通讯作者戚庭野 1 9 8 4 一 ，男，吉林集安人，副教授，硕士生导师。E m a i l q ‘y 1 9 8 4 0 2 1 6 3 ．c o m 引用格式白锦文，崔博强，戚庭野，等．关键柱柱旁充填岩层控制基础理论[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 2 4 2 4 4 3 8 ． B A IJ i n w e n ，c u IB o q i a n g ，Q IT i n g y e ，e ta 1 ．F u n d a m e n t a lt h e o r yf o rr o c ks t r a t ac o n t r o lo fk e Yp i l l a r s i d eb a c k f j U i n g [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 l ，4 6 2 4 2 4 4 3 8 ． 移动阅读 万方数据 第2 期白锦文等关键柱柱旁充填岩层控制基础理论 4 2 5 e f k c t s ．U s i n gt h ek e yp i l l a rt h e o r yo fr e s i d u a lc o a lp i l l a r s ’c h a i ni n s t a b i l i t y ，t h et e c h n i c a lm e t h o df o rr o c ks t r a t ac o n t r o lo fp i l l a r s i d eb a c k f i l l i n gi s 6 r s t l yp r o p o s e di n t h i sp a p e r ．T 1 1 e n ，t h ec o r em e c h a n i s mo fp i l l a r s i d eb a c k f i l l i n gm c k s t r a t ac o n t I D lm e t h o di sr e v e a l e d ．T h em a t e r i a l ，s t r e n g t h ，w i d t ha n ds h a p eo fp i l l a r - s i d eb a c k 6 l l i n gb o d ya r ed e t e 珊i n e d i nt h er o c ks t r a t ac o n t r 0 1m e t h o d ．T h er o c ks t r a t ac o n t r o le f k c to fp i l l a r s i d eb a c k f i l l i n gm e t h o di sa l s oe v a l u a t e d ．T h e p o t e n t i a la p p l i c a t i o nr a n g ea n d6 e l d so fp i l l a r s i d eb a c k 6 U i n gr o c ks t r a t ac o n t r o lt h e o r ya r ep r e s e n t e d ．T h er e s e a r c hr e - s u l t ss h o wt h a tQ t h ep i l l a r - s i d eb a c k 6 u i n gr o c ks t r a t ac o n t m lm e t h o di sc o n d u c t e db yi m p l e m e n t i n gt h ed o u b l ep i U a r s i d ef u l lb a c k 6 l l i n g ，d o u b l ep i l l a r s i d ep a n i a lb a c k 6 l l i n g ，s i n g l ep i l l a r - s i d ef u l lb a c k f i l l i n g ，o rs i n g l ep i l l a r - s i d ep a r t i a l b a c k f i l l i n gT h ep i l l a r - s i d eb a c k f i l l i n gb o d yp l a y sas i d ep r o t e c t i o nr o l ef o rt h ek e yp i l l a r ，w h i c hc a na l s of o r mac o o r d i n a t e dl o a d b e a r i n gs t m c t u r ew i t ht h ek e yp i l l a r ．’I ’h er o c ks t r a t am o V e m e n tc a nb ee f I 色c t i V e l yc o n t r o l l e d ．I tc a na l s o g u a r a n t e et h es a f e ，e m c i e n ta n dg r e e nm i n i n go fc o a lr e s o u r c e s ．②T h er o c ks t r a t ac o n t r o lc o r em e c h a n i s mo fp i l l a r - s i d eb a c k f i U i n gm e t h o di sm a i n l ye m b o d i e di nf o u ra s p e c t s T h ec o u p l e db e a r i n gr o l ei sp l a y e db yt h ek e yp i U a ra n d t h ep i l l a r s i d eb a c k f i l l i n gb o d y ；T h ep i l l a r s i d eb a c k f i l l i n gb o d yp r o d u c e sl a t e r a lr e s t r a i n to nt h ek e yp 订l a r ；T h es t r e s s s t r e n g t h e n i n gi ss h o w nf b rt h ek e yp i l l a ra f t e rt h ep i l l a r - s i d eb a c k 6 1 1 i n g ；a n dt h el o n g - t e n nd e t e r i o r a t i o no ft h ek e yp i l - l a ri sI ℃d u c e d ． T h eI ．e t u m i n gs o l i dw a s t eb a c k 6 l l i n gm a t e r i a la n di n - s i t us o l i dw a s t eb a c k f i l l i n gm a t e r i a lc a nb es e - 1 e c t e di nt h ep i l l a r s i d eb a c k f i l l i n gm c ks t r a t ac o n t m lm e t h o d ．T h eu l t i m a t ec o m p r e s s i v es t I ．e n g t ho fp i U a r s i d eb a c k 6 l l - i n gb o d ys h o u l db eg r e a t e rt h a no re q u a lt ot h et r a n s f e I T e dl o a d ．T h ew i d t ho fy i e l dz o n ei nt h ec o u p l i n gb e a r i n gb o d y o fp i l l a r - s i d eb a c k f i l l i n gb o d ya n dk e yp i l l a rc a n n o tb ee x t e n d e dt ot h eo r i g i n a le l a s t i cc o r ea r e ao fk e yp i U a r ．T h e s h a p eo ft h ep i U a r - s i d eb a c k f i U i n gb o d ym a i n l yi n c l u d e sr e c t a n g u l a r ，1 a d d e r ，s t e p p e da n dm u l t i - s t e p p e dl a d d e rt y p e s ． 少T h es t r e s sc o n c e n t r a t i o no fk e yp 订l a rw i l lb er e d u c e da f t e rp i l l a r s i d eb a c k 6 l l i n g ．T h ew i d t ho fp l a s t i cz o n ew i l lr e d u c eo nt h eb o t hs i d e so fk e yp i l l a r ，a n dt h ew i d t ho fe l a s t i cc o r ea r e ai nt h ec e n t r a la r e aw i Ui n c r e a s e ．T h ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s sa n de l a s t i cc o r e a r e ai n d i c a t et h a tt h er o c ks t r a t ac o n t r o le f k c to fp i U a r s i d eb a c k f i U i n gi s g o o d ．⑤T h ef u n d a m e n t a lt h e o r yf b rt h er o c ks t r a t ac o n t r o lo fp i U a r s i d eb a c k f i l l i n gc a nn o to n l yb eu s e df o rt h ep r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fc h a i ni n s t a b i l i t yo fr e s i d u a lc o a lp i U a r s ，b u ta l s ob ea p p l i e dt ot e c h n i c a l6 e l d ss u c ha st h eI ℃- m i n i n go fh i g h q u a l i t yr e s i d u a lc o a lr e s o u r c e sa sw e U a st h em a i n t e n a n c ea n du t i l i z a t i o no fu n d e r g r o u n ds p a c e ．I tc a n a l s ob ea p p l i e dt ot h en o n c o a lr e s o u r c e sm i n i n ga r e a ．1 h ep m p o s e db a s i ct h e o r yf b rr o c ks t r a t ac o n t r o lo fp i l l a r - s i d e b a c k f i l l i n gc a np m m o t et h ed e v e l o p m e n to fg r e e nm i n i n gt h e o r ya n dt e c h n o l o g ，i nC h i n a ． K e yw o r d s k e yp i l l a r ；p i l l a r - s i d eb a c k 6 l l i n g ；c h a i nf a i l u r eo fc o a lp i l l a rs y s t e m ；c o o r d i n a t e dl o a d - b e a r i n g ；i n s t a b i l i t y c o n t m l I ．o c ks t r a t ac o n t I ．o l 遗留煤柱群在我国中西部的许多矿区中密集分 布七j 。采空区遗留煤柱群留设的初衷是为了承担 覆岩载荷，且保障地下采场的长期稳定性“ J 。然而， 在覆岩应力、扰动载荷、自然风化和积水浸蚀等耦合 影响下，局部区域的遗留煤柱会发生由表及里的破 裂，使得承载能力逐渐减弱，发生早期失稳，并可能引 发煤柱群体系的链式破坏或“多米诺骨牌”失稳，导 致覆岩垮落、地表塌陷、动载矿压、涌水溃砂、瓦斯外 逸、水体下泄等动压灾害M 。9J 。采空区遗留煤柱群的 链式失稳表现出明显联动致灾效应‘5 ，7 。9 1 。 部分充填的充填量和充填范围仅占采出空间的 一部分，是控制采动损伤破坏最有效的技术方法之 一[ 2 ，5 ．1 0 ] 根据采动空隙在纵向空间的演化差异性，许家林 等基于关键层理论提出了长壁墩柱同步充填技术方 法、短壁垮落带嗣后充填技术方法和覆岩隔离注浆充 填技术方法等部分充填方法，从而依赖关键层结构、充 填体或隔离煤柱来联合控制地表沉陷旷1 3 1 。具体包 括①长壁条带／墩柱同步充填技术方法是在工作面 每推进一定距离后，在后方采空区空间内进行填充，待 充填体凝固后形成若干独立的充填条带群或墩柱群， 从而共同支撑覆岩载荷，并有效控制地表沉陷。②短 壁垮落带嗣后充填技术方法首先在隔离煤柱之间的短 壁工作面垮落区的空隙内注浆充填；待浆体与垮落矸 石形成的组合充填体达到一定强度后，回采短壁隔离 煤柱，并根据两侧组合充填体的稳定性有选择地对煤 柱采出后的垮落区实施注浆充填 或不充填 ，形成多 个间隔的浆体与垮落矸石组合充填体，从而支撑上覆 岩层，并有效控制地表沉陷。③覆岩隔离注浆充填技 术方法是通过地面钻孔对采动覆岩高压注浆充填，在 工作面中部形成一定宽度的压实支撑区，利用压实区 与隔离煤柱联合控制覆岩关键层的稳定| 生。 万方数据 4 2 6 煤炭学报 针对煤炭资源开采存在的地表塌陷和潜水流失 等技术难题，黄庆享。1 4 、胡振琪。。 ’。和孙建“1 等提出 r 条带充填的开采方法，通过在长壁开采过程中由工 作面中部向采窄区充填数个条带，来支撑役岩载荷， 保障隔水岩组稳定性，实现保水采煤，并实现沉陷地 复垦。马妒强等。7 。1 8 基于旺格维利采煤法和巷柱式 充填采煤力‘法的原理和优，一_ ，提出了壁式连采连充 “采充并行”的保水采煤方法，解决了充填和采煤作 、I k 协调困难的技术难题。 针对“i 卜 ”呆滞煤炭资源开采的技术问题，张 吉雄丹、余伟健。1 0 j 、郭惟嘉川、陈绍杰一 、张新 国‘2 ≯和孙希奎【1 4 。等提出J ，研石充填、膏体充填或高 水充填置换呆滞煤炭资源的技术方法，通过采空区 “充填体 承苇岩层”来共l 叫控制覆岩移动。 除此之外，许多学者还提出了“采一充一留”协调 开采一“、条采留巷充填法_ “、结构充填开采”、功能 性充填| 孙等部分充填的方法，来减轻矿』“谚现，并支 撑覆岩载荷。 上述研究成果是保障中西部地区煤炭资源安全 高效开采的重要支撑“。“。，然而，由于充填材料不 足和充填成本较高等因素的影响，部分充填岩层控制 技术尚未广泛应用于采窄I x I 遗留煤柱群的链式失稳 防控中。l 大i 此，非常有必要借鉴部分充填的技术思路 提出一种适J 、证于采空区遗留煤柱群链式失稳防控的 技术方法。 运用采夺区遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论， 笔者研发丫关键柱柱旁充填岩层控制的技术方法，揭 示了关键柱柱旁充填岩层控制的核心机理，确定了关 键柱柱旁充填岩层控制的技术参数，评价r 关键柱柱 旁充填岩层控制的效果，并刈琪潜在的应用范嘲与领 域进行了展单。 l 关键柱柱旁充填岩层控制技术方法 针对采空Ⅸ遗留煤柱群链式失稳表现j f I 吵J 显联动 致灾效应的技术难题，基于煤炭资源科学开采理念J ， 笔者提出了遗留煤柱群链式失稳的关键柱删沦唯 有“关键柱”发生局部失稳，邻近遗留煤柱的欠稳破坏 彳可能被活化，遗留煤柱群的整体失稳才I I J ‘能发生；关 键柱是维护遗留煤柱群体系稳定性的“牛鼻子”。遗留 煤柱群链式失稳的防控需要从源头出发首先维护关键 柱的局部稳定性，进而来保障遗留煤柱群体系的长期 稳定性3 ‘5 。冈此，笔者研发r 关键柱柱旁充填岩层控 制的技术方法”。”o 。关键柱柱旁充填示意图如图1 所示，图1 中，d7 为柱旁充填前方钻孑L 的垂直夹角；口’ 为柱旁充填后方钻孔的垂随夹角；L ’为柱旁允填钻孑L 的问距；矗’为柱旁充填钻孔的长度。其岩层控制的实 现途径为在采审Ⅸ煤柱群体系的关键柱旁边实施柱 旁双侧全部充填、柱旁双侧部分充填、柱旁单侧全部 充填或柱旁单侧部分充填等一l 艺，使得采空区中形成 的柱旁充填体小仪能对关键柱起到侧护作用，还能形 成“关键柱一柱旁充填体”的协同承载结构体，进而实 现关键柱稳定性的强化，从源头遏制住采空区遗留煤 柱群的链式火稳，实现采场岩层移动的有效控制，并 保障煤炭资源的安全高效绿色肝采。 蹬空 煤层 蹄宅 煤层 天键柱 栩采K 域 a 1 柱旁允填前 充填体充填体 劁】天键柱柱劳充填不葸 } ’i g ．1S 【‘h P l l l a I i 。 1 i a g r a n l fk t y1 1 iJ l a l - 一s i d eb a c k “l l i n g 遗留煤柱u r 视为采空区自有承载结构体，柱旁充 填体叮以视为采窄区新生承载结构体。关键牲柱旁 充填岩层控制技术方法突破了只利用采空区遗留煤 柱承载覆岩的传统理念。借鉴系统学基本原理。“， 关键柱柱旁充填在采空区关键I x I 域形成了“r f 有承 载结构体 新生承载结构体”的复合结构体，实现了2 者的协同控制‘j 有机统一，可以解决遗留煤柱群链式 失稳的技术难题，开辟了煤矿岩层控制的新途径。 关键柱柱旁充填属于充填开采的一种。具体地， 关键柱柱旁充填属于部分充填开采的范畴【⋯叫“，可 以解决全部充填开采所面临的原材料供给不足和充 填成本较高的瓶颈难题。关键柱柱旁充填直接保护 的义寸象是采李Ⅸ煤柱群体系f 1 1 的关键柱。关键柱柱 旁充填最终保护的对象为采场} 覆岩层、地表表土 层、地面建 构 筑物、交通要道和水体等。 采空区遗留煤柱群的应力环境、物质属性、结构 万方数据 第2 期白锦文等父键柱柱旁充填7 层控制基础理论 4 2 7 特征等是实施关键柱柱旁充填必须考虑的地质背景。 采掘扰动是实施关键柱柱旁充填必须考虑的技术背 景。关键柱柱旁充填岩层控制技术方法的实施主要 包括以下步骤 1 步骤l 。，根据待研究I X 域采空区煤柱群的赋 存状况，运用关键柱判别的技术方法与流程，准确判 别出采空区遗留煤柱群中关键柱的位置。 2 步骤2 。在地面或者邻近蹬空煤层选择合理 的柱旁充填位置。需要指出，为了减小后续允填钻孔 的长度，该位置通常位于关键柱} 二方的蹬空煤层或地 面，其与关键柱位置的水平错距为5 ～1 0m 。 3 步骤3 。从步骤2 选取的柱旁充填位咒自上 向下钻孑L ，布置关键柱柱旁充填的输送管路。， 4 步骤4 。选取合适的充填材料，配制得到柱旁 充填膏 浆 体，在充填泵的作用下沿步骤3 的输送管 路将制备好的膏 浆 体均匀注入关键柱邻近的柱采区 域中，使其凝固硬化对采空区关键柱产生侧护作用。 5 步骤5 。重新判别柱旁充填后采夺Ⅸ巾“关 键柱”的位置，并根据其诱发失稳的可能性，动态实 施柱旁充填的增稳技术措施，实现采空区遗留煤柱群 系统稳定性的整体强化与提升。 关键柱柱旁充填岩层控制的关键科学问题1 j 技 术问题主要有①揭示关键十卜柱旁充填岩层控制的 核心机理；②确定关键柱柱旁充填岩层控制的技术 参数；③评价关键柱柱旁充填岩层控制的效果。 2 关键柱柱旁充填岩层控制核心机理 2 ．1 “关键柱一柱旁充填体”耦合承载 柱旁充填前，采空区中的主要承载体为遗留煤 柱。柱旁充填后，采空区中的主要承载体会发生转 变，即采场原有遗留煤柱与新生柱旁充填体会形成新 的耦合承载体系，共同来承担上覆岩层载荷和采掘扰 动载荷，如图2 ，3 所示，图2 a 中，尺为柱旁充填前 遗臀f 煤柱应力最大扩散半径，t t ，；图2 b 中，R7 为柱 旁充填后遗留煤柱一柱旁充填体耦合承载体应力最 大扩‘散半径，；图3 中，川。为柱采区域的宽度，m 。， 换而言之，关键柱柱旁充填前，采空区遗留煤柱 承扒r 上覆岩层载荷和采掘扰动载荷。通过采取稳 定性强化措施之后，采卒区新牛柱旁允填体会分担部 分载荷，进而减少J ，关键柱所承担的载荷，弱化J ，父 键牲应力集中程度，避免其发生‘一期局部失稳，并强 化r 遗留煤柱群体系的整体稳定一№、 柱旁充填前，遗留煤柱群体系巾独立个体所承担 的载荷㈡’”。为 s 户等2j 盎2 竹 L 0 ．5 Ⅲ．， 2 y Ⅳ耵 L 0 ．5 川l ， 二⋯ F 一 。1 ’ 式t { I ’S 。为遗留煤柱个体所承担的载荷，M P a ；y 为覆 岩的平均容重，取2 5k N ／m ’；H 为遗留煤柱所处层位 的埋深，m ；e 为柱式采窄区的采f f I 率，％；训。为遗留 煤柱的宽度，n ，；L 为遗留煤柱应力扩散的最大距 离，叭s ．为柱旁允填前应力最大扩散范围内受影响 的遗留煤柱的总面积 图2 a 中灰色遗留煤柱区域 的总面积 ，m 。 柱旁充填后，对于“关键柱一柱旁充填体”耦合承 载体而言，其应力扩散最大范围的面积s ，”4 为 S 1 】 盯 ￡ 0 ．5 “1 Ⅲ1 1 2 式L f t ，一为“遗留煤柱一柱旁充填体”耦合承载体应力 最大扩散范围的面积 图2 b 中I 隘色圆圈区域的面 积 ，n ， 叫沁为柱旁充填体的宽度，，儿 a 十} 旁允填前 b 札旁充填后 图2柱旁充填前后的承载传播范围对比 F i g ．2C f I l l l a l { s f 1 1o fl o a 1p I u I m g a l i o nb e f ”ea n 1a f l P rb a c k 一“】l i n gd I 1 1 9I h ek e yI i l I a J ． 万方数据 4 2 8 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 』 一／。／一 一 ／／ ～～～～～～～、二、、 q 、、、、 1 _ 『 | 。≥。I 二7 j j 。∥ I ＼＼、、 ＼、≮| | 。 V p 『| j ／ _ 曲 ’≮ 过 V 曲 w V ■__ _ _ _ _■_■_ _ __ 关键托 a 柱旁允盯㈨U ～～～～～、≤。、| | 。、、、0 、。 ，j ，，7 ，二，‘， | _ _ ．，，，，，，一一一一 一 、、＼、 、j 。，| | 、、 Y F 。／／。一 乇 ＼、、、、、、、‘ l ＼、 j j 。； ＼3 、 F ＼ - v ■＼t _ __ _ _ _ _■_ _ _ ___ 关键柱一托旁允填体 b 托旁允』剐一j 图3父键柱柱旁充填前后承载示意 F i g ．3S ’1 1 P l l l a “t 。 1 j a g l l a l l l J fl I J a 1 i l l gI r a n s f e I T i n gh P f i r Pa 1 1 1a f t e r1 a t ‘k f I l l i n ga l o n gt h Pk 9 。I ’i l l a r 基于此，“遗留煤柱一柱旁充填体”耦合承载体应 力最大扩散范围内的采出，笨r7 图3 为 ， 一一s 耵 ￡ 0 ．5 Ⅲ。， ． 一一s ；，1 、 。一■r 一■而了讧瓦了j 石厂’ S I 盯 L 0 ．5 州。 “，h 二 、 式中，s 为柱旁充填后应力最大扩散范≈内受影响 的遗留煤柱的总面积 图2 I ， 中灰色遗留煤柱区域 的总面积 ，m 二。 需要指_ I I { 的是，由于，、证力扩散影响区域内遗留煤 柱的形态并小规则，其面积求解会有不小的难度。根 据遗留煤柱群与柱旁充填体的分布剖而刚，通过在 A u t oc A D 软件中输入a - ㈨面积命令及相心交点圈定 操作等，可以求得柱旁充填前关键柱与柱旁充填后 “关键柱一柱旁充填体”耦合承载体应力最大扩散范 围内受影响的邻近遗留煤械的总面积。 进一步地，柱旁充填后“遗留煤柱一柱旁充填体” 耦合承载体所承担的载荷s 。，为 s 』生 垡 1 “’ l P ．盯 L 0 ．5 Ⅲf ， ⅢI ． 一s I 一_ 订 L 0 ．5 删。 州j 1 ． 二 y H 丌 L 0 ．5 川1 ， M J l ， 一， 万一 。q ’ 2 ．2 柱旁充填体对关键柱的侧向约束 关键柱柱旁充填的另外个核心H 的是使得柱 旁新生的充填体能够对关键柱产生足够的侧向约束。 一方面，柱旁充填体能够约束关键柱的横向变形，进 而减缓关键柱的变形破坏；另方面，柱旁充填体能 够x 、，关键柱产牛一定的侧向约束力，进而提升其整体 承载能力。本1 I J ．以柱旁双侧允填为例来分析柱旁充 填体对关键柱的侧向约束。柱旁双侧充填之后，采空 』x ．遗留煤柱的受／J 状态会由维受力状态逐步转变 为i 维受力状念。， 此时，根据莫尔库伦准则，i 维受力状态下父键 柱的极限抗，K 强度| 。”为 5 式【f I ，盯。为r t 维受力状态下关键柱的极限抗压强 度，M P a ；臼为关键柱的内摩擦角， 。 ；盯。为0 维受 力状态下关键柱所承受的横阳约束力，M P a ；c 为关 键柱的黏聚力，M l ’a 。 该承载体系叶t 关键柱所承手H 的载荷5 。为 。、川1 ．。，y H 盯 L 0 ．5 川I ， 仪J h 二州，I ． ≮Lqj二二』二』j ” Ⅲ。 2 州l ，”“s 川．， 2 州1 ． 6 当采空区中火键柱达到极限承载状态时，关键柱 所承担的载荷S 。和极限抗压强度盯。满足 。y 疗可 ￡ 0 ．5 “0 “1b 2 川I ， ≮～⋯各雨百| i 厂2 1 s i n 臼 盯。 2 c Ⅲsp 1 一s i l lp 7 进一步地，1 1 J ‘以推导出关键柱的极限侧向载荷为 万方数据 第2 期I ’J 锦文等火键朴桂旁充填掣层控制基础理论 4 2 9 y H l T L 0 ．5 M ，。 j F l ， 二 F ．， 1 一s i n 臼 。”1 s 川．． 2 ⋯I ． 1 s i n9 筹篇 ㈦ 1 s i n 臼 、 2 ．3 关键柱受力状态向应变强化的转变 柱旁充填体的侧向载荷作用下，采空Ⅸ“关键 柱”的受力状态足否会发生改变 本文采川jI ’F c 引’ 数值模拟软件分析了不同侧阳载荷对采空Ⅸ“父键 柱”承载特性的影响。具体地，分别在关键柱两侧施 加大小不同的侧阳载荷，来分析／f i 同约束状态下关键 柱应力一应变曲线的演变，如图4 所示。 图4 小州侧旧载衙对天键仆水载特性的影响 F i g4J 1 1 1 1 I ⋯1 ’P “ 1 i 骶i ’㈨I la I ㈣I l l ㈨l s m1 P a “g ’1 1 n 1 ．a I P r i s t i c s fk P j ‘ a I I i l l a I ’ 由图4 几J ‘以看出，当关键柱的侧限载荷为0 时， 关键柱承担的极限载荷为3 6 ．1M P a ，且峰后的承载 力会随着应变的增大而瞬问减小，即表现出明艟的应 变软化承载特性、、肖关键柱侧限载荷 0 时，父键柱 的承载能力会有所增强，f i 侧向载荷越大，承载能力 越强。同时，当乖向外在载荷达到关键柱自身的极限 载荷时，遗留煤柱承担的载荷随符』、迈变的增人仍然增 强，即表现出显并的』衄变强化承载特性，日．侧m J 载荷 越大，应力强化的幅值越大。 综上，柱旁充填通过增加遗留煤柱的围压，使得 关键柱的受力响应由“应变软化”转变为“』、证变强 化”。柱旁充填f j i 『，采空区关键柱的“应变软化”行为 会使得采场上役岩层的载荷逐渐向最邻近遗留煤柱 。} l 转移与扩散，进『『1 『可能引发煤柱群体系的链式失 稳。柱旁充填后，采空区关键牛l 的“应变强化”行为 会承担更多的役岩载荷或扰动载倚，延缓其自身的破 裂进度，并减弱最邻近遗留煤托群承担的载荷，从而 规避采空区遗留煤柱群安全系数的“不均匀化”，保 障长期稳定性。 2 ．4 关键柱强度的长期劣化减弱 柱旁充填之I 狮，采空区“火键柱”长期受到积水 浸蚀和自然风化等耦合影响，使得强度逐渐劣化，进 而影响其长期稳定性∞。8 。具体地 1 积水浸蚀划‘采空区关键柱强度的劣
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