薄煤層巷旁高水充填沿空留巷技術(shù)研究

潘光超++劉濤++楊文光

[摘 要]沿空留巷是維護(hù)在工作面后方的采空區(qū)邊緣巷道，即在工作面回采過(guò)程中，通過(guò)有效的巷旁充填和巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)，將原巷道保留下來(lái)，作為鄰近工作面的一條巷道使用，但是由于沿空留巷的巷道受工作面采動(dòng)影響而引起的礦壓顯現(xiàn)要比用煤柱維護(hù)的巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈的多，在巷道維護(hù)時(shí)比較困難，因此巷旁充填體性能和巷內(nèi)支護(hù)手段是沿空留巷技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，該文主要介紹了薄煤層巷旁高水充填技術(shù)研究，為今后薄煤層礦井巷旁沿空留巷開采提供可靠依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]薄煤層；巷旁；沿空留巷；技術(shù)研究

中圖分類號(hào)：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）18-0022-01

1 沿空留巷的意義

薄煤層工作面回采巷道為半煤巖巷，巷道掘進(jìn)手段沒有多大的變化，仍以打眼放炮、人工裝煤為主，掘進(jìn)速度慢，造成薄煤層綜采工作面接替緊張，為了緩解采掘接替緊張的局面和提高煤炭資源采出率，為薄煤層的高產(chǎn)高效提供技術(shù)支撐和指導(dǎo)作用，開展沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

2 巷旁充填體作用機(jī)理

巷旁支護(hù)體控制巷道頂板、維護(hù)巷道，關(guān)鍵是要有足夠的支護(hù)強(qiáng)度及適量的可縮量，足夠的支護(hù)強(qiáng)度能夠及時(shí)切落采空區(qū)側(cè)足夠高度的頂板巖層，使更上位巖層得到采空區(qū)冒落矸石及側(cè)向煤體支撐，同時(shí)，適量的可縮量滿足巷旁支護(hù)體服從巖層的旋轉(zhuǎn)下沉，防止在頂板巖層旋轉(zhuǎn)下沉?xí)r破壞巷旁支護(hù)體，實(shí)現(xiàn)控頂載荷向側(cè)向煤體及采空區(qū)冒落矸石轉(zhuǎn)移。因此，沿空留巷巷旁支護(hù)的作用機(jī)理為：

1. 巷旁支護(hù)體應(yīng)具有早期強(qiáng)度高、增阻速度快的力學(xué)特性，緊隨工作面構(gòu)筑，及時(shí)支護(hù)直接頂，控制巷道圍巖變形，與巷內(nèi)支護(hù)共同作用，確保巷道內(nèi)直接頂不破碎、避免與上部基本頂離層，并切斷采空區(qū)側(cè)的直接頂，減小巷旁支護(hù)體所承受的載荷。

2. 回采面的推進(jìn)，必然引起基本頂破斷、失穩(wěn)、劇烈沉降，在基本頂破斷時(shí)巷旁支護(hù)體的支護(hù)阻力應(yīng)達(dá)到切頂阻力，切斷采空區(qū)側(cè)基本頂，減小巷旁支護(hù)體載荷。

3. 巷道圍巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，巷旁支護(hù)體具有的支護(hù)阻力為后期支護(hù)阻力，其大小應(yīng)能夠維持巷道上方已切斷巖層的平衡，同時(shí)將巷道頂板下沉量控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，一般后期支護(hù)阻力小于切頂阻力。

根據(jù)北宿煤礦薄煤層1873工作面頂板巖層情況、公式計(jì)算和以往的實(shí)踐，當(dāng)采高1.0m時(shí)，巷旁支護(hù)體寬度1.2m、充填體抗壓強(qiáng)度8MPa能滿足沿空留巷的要求，本研究確定采用高水充填材料凈漿充填。

3 高水速凝材料及其沿空留巷技術(shù)簡(jiǎn)介

3.1 高水速凝材料簡(jiǎn)介

高水速凝材料是一種能在高水灰比條件（W/C=1.3：1～3：1）下快速凝結(jié)的特種水泥。該材料以硫鋁酸鹽水泥熟料為基料，加入石膏、石灰、復(fù)合緩凝劑、懸浮劑、復(fù)合速凝劑等配制而成，為了使用方便，高水速凝材料分甲料、乙料兩部分，按1：1的比例配合使用。甲料、乙料單獨(dú)與水混合24h不凝結(jié)，為避免管路堵塞和一定條件下不沖洗管路創(chuàng)造了條件，而甲料漿和乙料漿一旦相互混合則快速凝結(jié)硬化。

3.1.1 抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系

高水速凝材料抗壓強(qiáng)度與水灰比的大小成反比關(guān)系，水灰比越小，強(qiáng)度就越高，每立方米充填需要使用的高水速凝材料越多，水用量越少，充填凝固體的強(qiáng)度就越高，反之，水灰比越大，每立方米充填需要使用的高水速凝材料越少，水用量越多，充填凝固體的強(qiáng)度就越低，在水灰比W/C=0.5：1～0.75：1左右，這是普通水泥混凝土經(jīng)常使用的水灰比范圍，高水速凝材料抗壓強(qiáng)度可達(dá)到30～50MPa以上。根據(jù)高水速凝材料與水灰比的關(guān)系，調(diào)節(jié)水灰比改變充填體抗壓強(qiáng)度可以滿足多種強(qiáng)度要求的工程需要。

3.1.2 高水速凝材料的變形性能

高水速凝材料具有突出的塑性特征，在載荷達(dá)到峰值強(qiáng)度后，高水速凝材料并不立即完全破壞喪失承載能力，而是隨著應(yīng)變的進(jìn)一步加大，承載能力呈緩慢下降趨勢(shì)，承載能力隨應(yīng)變?cè)黾泳徛陆档乃俣冗h(yuǎn)小于一般的混凝土和巖石材料。該水灰比的高水速凝材料峰值抗壓強(qiáng)度為10.36MPa，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到10%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度還維持在峰值強(qiáng)度的65%以上，應(yīng)變繼續(xù)增加達(dá)到18%，殘余抗壓強(qiáng)度為峰值的59%左右。因此，高水速凝材料巷旁支護(hù)體呈現(xiàn)明顯的塑性特征，在壓力作用下可以允許產(chǎn)生較大的塑性變形，強(qiáng)度衰減比較緩慢，可以維持較高的殘余強(qiáng)度。

4 試驗(yàn)巷道圍巖控制效果

4.1 礦壓觀測(cè)內(nèi)容及觀測(cè)方法

為了觀測(cè)兩順槽在本工作面留巷期間和二次采動(dòng)影響期間的圍巖活動(dòng)規(guī)律，考察巷道圍巖變形和充填體的變形，研究支護(hù)參數(shù)的合理性，在沿空留巷過(guò)程中設(shè)置相應(yīng)的測(cè)站，對(duì)圍巖表面位移、圍巖深部位移、頂板離層狀況、充填體載荷及圍巖應(yīng)力變化進(jìn)行觀測(cè)。

4.2 工作面后方巷道圍巖變形情況

測(cè)站表面位移距離工作面越近變形量和變形速度越大，隨著工作面向前推進(jìn)，巷道表面變形量和變形速度逐漸降低。工作面后方巷內(nèi)圍巖變形分3個(gè)階段，即①變形速度增加區(qū)，②變形速度降低區(qū)，③變形速度穩(wěn)定區(qū)。在開始時(shí)，隨著工作面推進(jìn)，工作面上方頂板巖層不斷的回轉(zhuǎn)、下沉破壞，留巷采空區(qū)一側(cè)的基本頂在自重和充填體所產(chǎn)生的切頂阻力作用下被切落，巷道圍巖變形明顯，由圖4-3、4-4可以看出工作面后方60m范圍內(nèi)巷道圍巖變形較為劇烈，在距工作面-30m附近達(dá)到最大，頂?shù)装遄畲笠平俣葹?.25mm/d，兩幫最大移近速度為4.75mm/d。

隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，巷道圍巖支承壓力影響范圍擴(kuò)大，壓力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，巷道圍巖變形速度明顯降低，在上面圖4-3、4-4中工作面后方60～120m反映出來(lái)。在工作面后方120m以外巷道圍巖變形速度趨于穩(wěn)定，圍巖平均變形速度在1mm/d以下。巷道圍巖變形主要以底鼓為主，由于底板采取開放式處理方式，沒有支護(hù)，部分區(qū)段底臌嚴(yán)重，充填體插入煤層底板較深，煤幫表現(xiàn)明顯的蠕變特性。總體來(lái)說(shuō)，巷內(nèi)采用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)強(qiáng)化圍巖，配合有效的巷旁支護(hù)，控制住了沿空留巷期間圍巖的劇烈變形。

5 結(jié)論

（1）得到了北宿煤礦17層工作面沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。受回采工作面超前支承壓力的影響，工作面前方40m處的巷道圍巖開始有變形，到35m處時(shí)，巷道圍巖變形稍有增加，頂?shù)装逡平俣葹?mm/d，在工作面前方20～40m的范圍內(nèi)，頂?shù)滓平俣燃s為1.3mm/d，而在工作面前方0～20m的范圍內(nèi)，移近速度約為3.4mm/d。工作面后方60m范圍內(nèi)巷道圍巖變形較為劇烈，在工作面后方30m附近達(dá)到最大，頂?shù)装遄畲笠平俣葹?.25mm/d，兩幫最大移近速度為4.75mm/d，工作面后方60～120m，巷道圍巖變形速度明顯降低，工作面后方120m以外巷道圍巖變形速度趨于穩(wěn)定，圍巖平均變形速度在1mm/d以下。

（2）根據(jù)工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、井下施工條件，提出采用早期強(qiáng)度大、增阻速度快、具有一定的可縮量和較高的殘余強(qiáng)度的高水材料構(gòu)筑巷旁充填體，能夠很好的適應(yīng)頂板的變形，保證巷旁充填體的穩(wěn)定；結(jié)合數(shù)值模擬和理論分析，確定高水材料巷旁支護(hù)體水灰比為1.5：1，兩順槽充填體寬度為1.2m。

（3）提出了采用對(duì)拉錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼筋梯子梁提高巷旁充填體的穩(wěn)定性。

（4）結(jié)合工作面沿空留巷的現(xiàn)場(chǎng)情況，提出了使用單體液壓支柱、π型梁作為沿空留巷的臨時(shí)支護(hù)方式，確定了試驗(yàn)巷道頂板的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，確保沿空留巷在下一工作面回采過(guò)程中的正常使用。

作者簡(jiǎn)介

位建峰，男，本科，工程師，主要從事煤礦采礦方面的研究，現(xiàn)在北宿煤礦技術(shù)科工作。