高水材料巷旁預(yù)充填在煤礦開采中的應(yīng)用

高永格，郭亮亮，張希

(河北工程大學(xué)資源學(xué)院，河北 邯鄲056038)

巷旁支護(hù)指巷道斷面范圍以外，與采空區(qū)交界處架設(shè)的一些特殊類型的支架或人工構(gòu)筑物。常見的巷旁支護(hù)主要有:木垛支護(hù)、密集支柱支護(hù)、矸石帶支護(hù)、混凝土砌塊支護(hù)以及高水材料整體澆注支護(hù)等形式。巷旁充填可作為無煤柱護(hù)巷技術(shù)使用，既改變了巷道的受力情況，也減少了煤柱的損失［1－2］。巷旁充填體在沿空留巷中應(yīng)用較多，一般沿采空區(qū)一側(cè)構(gòu)筑充填體，起到切斷頂板、隔離采空區(qū)等作用，而留下原運(yùn)輸巷作為下區(qū)段的回風(fēng)巷繼續(xù)使用。目前，這種方法在我國煤礦開采中應(yīng)用較為廣泛，并且提高了一定的經(jīng)濟(jì)效益及采區(qū)回采率［3－4］，但是，對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的工作面，巷道維護(hù)困難，甚至需要重新開掘回風(fēng)巷道。而巷旁預(yù)充填沿空掘巷技術(shù)，盡管未能減少巷道掘進(jìn)工程量，但是改善了工人的作業(yè)環(huán)境，同時(shí)能夠減少巷道維護(hù)費(fèi)用［5－7］。

云駕嶺煤礦12802工作面條件復(fù)雜，煤層屬厚煤層，巷道變形量大，采用沿空留巷技術(shù)較為困難。

表1工作面頂?shù)装鍘r性特征Tab.1 Lithologic characteristics of working face roof and floor

為減少煤炭損失和合理安全生產(chǎn)，擬采用巷旁預(yù)充填無煤柱開采技術(shù)，在12802運(yùn)巷下幫緊貼煤壁，采用高水速凝充填材料實(shí)施2 m寬巷旁支護(hù)，下一工作面回風(fēng)巷道沿充填體邊緣掘進(jìn)，該充填體作為“小煤柱”，一方面承載上部巖層的載荷，并隔離采空區(qū)，避免矸石竄入和漏風(fēng)等因素的影響;另一方面該措施取消了區(qū)段煤柱，減少了煤炭損失，能夠提高回采率。為了掌握采動(dòng)影響下充填體受力及穩(wěn)定性，對(duì)充填體受力及變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 煤層地質(zhì)及開采條件

12802工作面走向長度為1 150 m，傾斜長度164 m，煤層傾角平均為25°，煤層厚度平均3.7 m，開采深度530 m，老頂周期來壓步距15～20 m，采場(chǎng)頂板類型屬Ⅱ類。開采方式為單一厚煤層一次采全厚走向長壁后退式采煤法，采用全部跨落法控制頂板。工作面頂?shù)装逄卣魅绫?所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

2.1 觀測(cè)儀器

本次測(cè)試采用GYW25型應(yīng)力傳感器，量程0～25 MPa，信號(hào)傳送距離≤1 000 m，并配合多功能監(jiān)測(cè)單站，能在較長的距離和較長時(shí)間內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)可自動(dòng)儲(chǔ)存在單站中，并可隨時(shí)讀取，方便可靠。

2.2 測(cè)站布置

為保證數(shù)據(jù)的可靠性，共設(shè)置5個(gè)測(cè)站，測(cè)站間距20 m。測(cè)站建立的時(shí)機(jī)在工作面推過，實(shí)施墻體充填即將完畢后安裝觀測(cè)儀器，測(cè)站布置如圖1所示。

2.3 應(yīng)力傳感器的安裝

1)充填體垂直受力觀測(cè):為掌握充填體上部覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其受力大小，對(duì)充填體進(jìn)行垂直受力的觀測(cè)。

充填工作一般超前工作面5～8 m進(jìn)行，一個(gè)充填循環(huán)完成后，在距工作面最近的墻體上，立即安裝墻體承載測(cè)點(diǎn)，沿充填體寬度方向布置3個(gè)應(yīng)力傳感器:2個(gè)分別布置在靠近充填體邊緣400 mm處，另1個(gè)布置在充填體寬度中心。另外，為保證傳感器均勻受力，在傳感器與頂板接觸部位設(shè)置一個(gè)方形鋼墊板，墊板規(guī)格為30×30 cm。傳感器安裝位置如圖2所示。

2)充填體側(cè)向受力觀測(cè):為掌握充填體受力后的側(cè)向變形，從而分析充填體的穩(wěn)定性，故對(duì)其側(cè)向推力進(jìn)行觀測(cè)。

每個(gè)測(cè)站沿巷道軸向方向依次布置3個(gè)側(cè)向應(yīng)力傳感器，傳感器間距0.5～0.8 m，當(dāng)充填達(dá)到最終充填高度約1/2高度處時(shí)，立即安裝墻體承載測(cè)點(diǎn)。另外，由于煤幫較軟，為避免傳感器與下幫煤體接觸受力后壓入煤體中，在安裝部位安設(shè)一塊木質(zhì)墊板，以使傳感器均勻受力。傳感器安裝位置如圖3所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 垂直方向受力

工作面回采過程中，上覆巖層具有明顯的依次向上發(fā)展的分層組合運(yùn)動(dòng)特征，這種運(yùn)動(dòng)往往受上覆巖層中一層或幾層力學(xué)性能較好的堅(jiān)硬巖層控制，頂板以板的形式斷裂，形成O－X斷裂，巷旁充填體處于斷裂后的關(guān)鍵塊B下方，如圖4所示，在垂直方向上充填體主要承受老頂O－X斷裂后關(guān)鍵塊B的回轉(zhuǎn)下沉的載荷，直到一端在采空區(qū)觸矸，另一端支撐在煤壁中形成穩(wěn)定的力學(xué)平衡“小結(jié)構(gòu)”，這種回轉(zhuǎn)下沉才會(huì)停止［8－9］。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，現(xiàn)將觀測(cè)比較完整且能夠反映充填體受力的2個(gè)測(cè)站的幾組曲線進(jìn)行分析，觀測(cè)結(jié)果曲線如下圖5所示(圖中負(fù)號(hào)代表工作面后方x米)。

由圖5(a)可以看出:(1)受頂板回轉(zhuǎn)下沉的影響，靠近巷道下幫煤體一側(cè)的傳感器開始受力較早。(2)在工作面后方0～10 m時(shí)，傳感器讀數(shù)增長很快，應(yīng)力變化區(qū)間為 0.1 MPa～12.4 MPa，此時(shí)測(cè)點(diǎn)處于工作面的下端頭位置，老頂巖層的破斷結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)垮落，從而造成充填體和煤體上的載荷急劇增大。(3)在工作面后方10～25.2 m時(shí)，應(yīng)力值增長較慢并趨向緩和，應(yīng)力值最大達(dá)到13.7 MPa，是原巖應(yīng)力的0.9倍。該階段頂板大面積冒落后，采空區(qū)內(nèi)松散碎矸石逐漸壓實(shí)，承載能力逐漸增高，分擔(dān)了充填體部分載荷。從實(shí)際觀測(cè)看，靠近采空區(qū)一側(cè)的傳感器壓力緩慢下降，運(yùn)巷下幫一側(cè)的則壓力呈上升趨勢(shì)。(4)在工作面后方25.2～40.5 m時(shí)，應(yīng)力值總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，應(yīng)力變化區(qū)間為 13.7 MPa ～8.6 MPa，該階段頂板活動(dòng)趨于平緩，并逐漸達(dá)到穩(wěn)定。(5)在工作面后方40.5 m之后，采空區(qū)覆巖活動(dòng)已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的應(yīng)力值為11 MPa左右，實(shí)測(cè)充填體承受的應(yīng)力值小于原巖應(yīng)力，充填體處于采空區(qū)煤壁邊緣的低應(yīng)力區(qū)，受力狀態(tài)較好。

由圖5(b)可以看出:(1)在工作面前方0～10 m，充填體的應(yīng)力變化區(qū)間為0 MPa～6.2 MPa，此階段充填體主要承受工作面回采時(shí)超前支承壓的作用，應(yīng)力呈逐漸增長趨勢(shì)。(2)在工作面后方0～7 m，充填體的應(yīng)力變化區(qū)間為3.6 MPa～10.1 MPa，應(yīng)力變化較大;此階段充填體處于工作面的下端頭位置，圍巖變形劇烈。(3)在工作面后方7～40 m，充填體的應(yīng)力變化區(qū)間為2 MPa～12.6 MPa;該階段充填體處于采空區(qū)位置，隨著老頂?shù)睦^續(xù)下沉，充填體所受載荷逐漸增加。(4)在工作面后方40 m之后，充填體的載荷基本上穩(wěn)定在11 MPa左右，并小于該位置處的原巖應(yīng)力。

3.2 側(cè)向方向受力

巷道頂板回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將對(duì)充填墻體產(chǎn)生水平作用力，導(dǎo)致墻體的水平方向變形，底板的流變效應(yīng)也會(huì)使墻體產(chǎn)生扭曲變形，最終可能導(dǎo)致墻體的破壞。云駕嶺煤礦在12802工作面運(yùn)巷下幫構(gòu)筑充填墻體，水平作用力會(huì)產(chǎn)生煤幫和充填體之間的擠壓，通過側(cè)向受力觀測(cè)，可分析充填體的變形情況?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果曲線如圖6所示。

由圖6可以看出:(1)在工作面端頭位置時(shí)，側(cè)向應(yīng)力緩慢增大，由于煤層內(nèi)膨脹壓力逐漸增大，造成煤幫的變形逐漸增大，被擠壓的充填體載荷逐漸增大。傳感器最大值達(dá)到0.8 MPa后，水平作用力較明顯。(2)在距工作面后方0～40.5 m時(shí)，應(yīng)力值緩慢持續(xù)增長，應(yīng)力值變化區(qū)間為0.1MPa～3.5 MPa。(3)在距工作面后方 40 ～50 m時(shí)，巷旁充填體側(cè)向應(yīng)力基本穩(wěn)定在3 MPa左右，此時(shí)運(yùn)巷下幫煤體的變形逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)充填體垂直應(yīng)力最大達(dá)到13.7 MPa，在距離工作面40 m之后，充填體的受力逐漸趨于穩(wěn)定，達(dá)到10～12 MPa，穩(wěn)定后的應(yīng)力值小于該處的原巖應(yīng)力，巷旁充填位置選擇合理，受力狀態(tài)較好，有利于保持充填體的完整和穩(wěn)定。

2)巷旁充填體側(cè)向受力較小，最大達(dá)到3.8 MPa，充填體受采空區(qū)垮落矸石和下幫煤體的約束作用，實(shí)際上處于三軸應(yīng)力狀態(tài)，變形量較小，充填體基本穩(wěn)定。

3)下一個(gè)工作面開采時(shí)，充填體受下區(qū)段掘進(jìn)巷道及開采影響，受力狀態(tài)發(fā)生變化，充填體的穩(wěn)定性如何直接影響到巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及安全生產(chǎn)，需做進(jìn)一步研究。

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