綜采面無煤柱沿空留巷充填體承載特性及穩(wěn)定性分析

姚 健

（山西煤炭進出口集團科學技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030006）

沿空留巷技術(shù)相比較留設(shè)煤柱維護巷道而言，不但能夠保證工作面瓦斯含量安全，而且可以提高煤炭采出率及有效地控制巷道穩(wěn)定[1-3]。由于之前采用的巷旁支護技術(shù)存在局限性，難以適應(yīng)沿空留巷圍巖變形，因此高水材料進入人們的視野。高水材料因具有增阻速度快、支護阻力大、適量可縮等優(yōu)點，近年來被越來越多地應(yīng)用于沿空留巷[4]。

現(xiàn)階段，許多研究學者針對沿空留巷支護技術(shù)進行了大量研究，但對于高水材料充填體的特性及力學作用機理還少有研究，而高水材料巷旁支護是保證沿空留巷成功的關(guān)鍵，因此需進一步深入研究。

1 工程概況

1.1 礦井概況

凌志達煤業(yè)礦井生產(chǎn)能力為150萬t/a，隨著礦井生產(chǎn)效率的不斷提高，傳統(tǒng)的留設(shè)寬煤柱進行護巷已不適應(yīng)具體工作面需求，急需進行無煤柱沿空留巷技術(shù)研究。目前，礦井設(shè)計中工作面區(qū)段保護煤柱寬度為20m，不僅造成了大量的煤炭資源損失，降低了煤炭采出率，同時，下區(qū)段工作面回采期間采空側(cè)回采巷道維護量大，給礦井安全高效生產(chǎn)帶來安全隱患。因此，凌志達煤礦擬結(jié)合15210工作面煤層、頂?shù)装辶W性質(zhì)和采、掘等生產(chǎn)地質(zhì)條件，進行無煤柱沿空留巷技術(shù)研究。沿空留巷示意圖如圖1所示。

圖1 沿空留巷示意圖

1.2 工作面條件

15210工作面所采煤層為15號煤層，屬結(jié)構(gòu)簡單-復雜近水平中厚煤層。15210工作面煤層厚度在4～4.5m之間，平均4.28m，煤層傾角3～6°。煤層直接頂為平均厚度0.7m的泥巖和平均厚度1.1m的14#煤，據(jù)巷道掘進揭露的情況，大多數(shù)直接頂缺失，15#煤上方多為堅硬的K2灰?guī)r，其平均厚度為6.02m，見表1。15210工作面位于二采區(qū)南部，其東部為15208工作面，西部為實體煤，南部為井田邊界，北部為東翼回風大巷，蓋山厚度195～300m，平均埋藏深度260.5m。15210工作面長度200m，回風順槽（輔助進風順槽）設(shè)計長度1890m。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)

相比較矸石沿空留巷技術(shù)和柔模混凝土沿空留巷技術(shù)，高水材料沿空留巷技術(shù)具有以下優(yōu)勢[5]：

（1）工藝系統(tǒng)簡單，初期投資少

高水材料沿空留巷技術(shù)所需要購置的主要設(shè)備僅為攪拌桶和雙液泵及相應(yīng)尺寸的管路，工藝系統(tǒng)非常簡單，設(shè)備初期投資很少。

（2）可長距離輸送，機械化程度高

高水材料沿空留巷工藝用水量大，漿液流動性好，易于通過管路泵送，單漿液長時間內(nèi)不凝結(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離泵送運輸，很好地適應(yīng)復雜的井下生產(chǎn)環(huán)境，相比較其他沿空留巷方法，生產(chǎn)效率高。

（3）減少礦井水處理和排放的相關(guān)費用，符合國家節(jié)能減排優(yōu)惠政策

高水材料沿空留巷技術(shù)能夠大量利用礦井水，減少了礦井水處理與排放及其相關(guān)費用，同時又能夠提高煤炭資源回收率。

（4）充填體能適應(yīng)頂板下沉，保持留巷的整體穩(wěn)定性

高水材料充填體初期支護阻力大，增阻速度快，恒阻性能好，與頂板接觸效果好，能夠適應(yīng)頂板下沉而讓壓，并且充填體中置入的錨栓的作用使得充填體整體支護穩(wěn)定性好。因此，高水材料充填體能夠滿足巷旁支護控制頂板和切頂?shù)囊蟆?/p>

（5）有效將留巷巷道與采空區(qū)隔離，提高礦井生產(chǎn)安全性

高水材料充填體能夠很好地把采空區(qū)與巷道隔離開，能有效防止瓦斯爆炸和火災，從而提高礦井開采的安全性。

3 巷旁充填體力學分析及支護參數(shù)選取

3.1 充填體切頂沿空留巷力學模型

由采場礦壓理論可以得知，沿空留巷頂板可以看作為彈性薄板，直接頂上的壓力P=Ky（K為墊層系數(shù)，y為基本頂巖層的豎向變形量）。在沿空留巷圍巖條件中，選取頂板達到危險狀態(tài)時的截面，建立力學模型[5]如圖2所示。由于巷旁支護阻力遠遠大于巷內(nèi)支護阻力，因此巷內(nèi)支護阻力忽略不計。

圖2 沿空留巷力學模型

將模型進一步簡化，可知擠壓力TC為：

式中：

h-AC巖塊的厚度；

L-AC巖塊的長度；

△SC-AC巖塊被切斷時C端的下沉量；

q-巖塊單位長度自重；

α-煤層傾角，取4°。

沿空留巷下側(cè)煤體支承壓力σy和應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度x0計算式為：

式中：

A-側(cè)壓系數(shù)；

H-開采深度；

Px-支架對煤幫的支護阻力；

γ-上覆巖層平均容重；

M-采高；

C0、φ0-粘聚力及內(nèi)摩擦角；

k-應(yīng)力集中系數(shù)。

3.2 充填體切頂巷旁支護阻力計算

根據(jù)前文建立的力學模型，可對兩巖塊建立平衡方程。

BC巖塊，傾角α的垂直方向，∑Fn=0，得：

傾角α的平行方向，∑Fs=0，得：

∑MB=0，得：

AB巖塊，∑MA=0，得

式中：

ML-基本頂極限彎矩；

q0-直接頂單位長度自重；

d-巷旁支護體寬度；

c-巷道寬度；

h-基本頂巖層厚度；

Pq-切頂阻力；

M0-A端基本頂?shù)臍堄鄰澗兀?/p>

△SB-基本頂垮落前B端的下沉量，其計算式為：

BC巖塊長度，其計算式為：

式中：

b-基本頂來壓步距，m；

Lm-工作面長度，m。

根據(jù)15210工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，工作面長度200m，煤層開采厚度平均為4.3m，巷道最大埋深300m，來壓步距為25m，基本頂厚度6.8m，直接頂厚度1.8m，留巷后巷道寬度5.0m，充填體寬度2.5m，上覆巖層容重為25kN/m3，應(yīng)力集中系數(shù)為2.0，側(cè)壓系數(shù)取為0.4，煤層粘聚力為2.0MPa，煤層與頂?shù)装迥Σ两?5°，基本頂巖層抗拉強度為8.0MPa，煤幫支護阻力為0.1MPa，煤層傾角平均4°，將上述參數(shù)代入公式（7）得到15210工作面回風順槽充填體的切頂阻力為2265kN/m。

4 高水材料巷旁充填體參數(shù)設(shè)計

通過上述分析計算，確定凌志達煤礦15210工作面回風順槽沿空留巷采用高水材料凈漿充填，同時采用淺孔定向爆破輔助切頂。高水材料的水灰比為1.5:1，其抗壓強度按10MPa考慮，則所需的充填體寬度理論計算值為2.27m。

在切頂?shù)那疤嵯拢紤]適當?shù)母挥嘞禂?shù)后，當端頭采高不超過4.0m時，初步設(shè)計巷旁充填體寬度為2.5m，充填體全部位于采空區(qū)內(nèi)，并對充填體進行加固，具體設(shè)計如下：

在充填體內(nèi)布置Ф22mm的螺紋鋼對拉錨桿，對拉錨桿間排距為1000×800mm，最上面1根距頂板500mm，最下面1根距底板500mm。采用Ф14mm圓鋼焊制的鋼筋梯子梁，配套使用120mm×120mm×10mm的托盤。鋼筋網(wǎng)要求使用直徑為6.5mm的鋼筋加工，使用12#鐵絲雙股聯(lián)網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)搭接部分不小于100mm，加固示意圖見圖3。

5 工業(yè)試驗

工作面回采后，15210工作面回風順槽保留作為下一個工作面順槽使用，在工作面回采及留巷期間，頂板活動強烈。實踐表明，沿空留巷頂板活動強烈的范圍在工作面后方100～120m范圍內(nèi)，故15210工作面后方120m范圍內(nèi)需要采用單體液壓支柱加強支護。為了保持頂板完整性，在液壓支架后方進行充填區(qū)域頂板錨網(wǎng)索支護。

凌志達煤礦15210工作面采用高水材料充填體支護技術(shù)，留巷穩(wěn)定后，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在76mm，兩幫變形量穩(wěn)定在94m，保證了沿空巷道的安全穩(wěn)定，能夠滿足下一個工作面回采要求。

圖3 充填體加固示意圖

6 結(jié)語

針對現(xiàn)階段堅硬頂板大采高工作面沿空留巷采用高水材料充填技術(shù)等問題，結(jié)合凌志達煤礦15210工作面具體地質(zhì)賦存條件，分析了現(xiàn)階段高水充填材料的優(yōu)點與巷旁充填體作用機理，建立了充填體切頂力學模型，分析了充填體支護強度影響因素，確定15210工作面沿空留巷充填體切頂阻力與充填方案參數(shù)，取得了良好的應(yīng)用效果。