沿空留巷巷旁充填體特性及施工工藝研究

畢延強

(山西焦煤西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052 )

沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展對煤炭資源的安全高效開采具有重要的意義，不但可以緩解采掘接替緊張的局面，使采區(qū)半煤巖巷道的掘進率降低40%～45%，而且可以大幅度的回收煤炭資源，完全取消區(qū)段煤柱，減少煤炭資源的損失?，F(xiàn)階段，大多數(shù)礦井采用高水材料進行巷旁充填，巷旁充填支護是保證沿空留巷成功的關(guān)鍵措施。因此，需確定巷旁充填體的特性及參數(shù)，進一步研究其作用機理[1,2]。

現(xiàn)階段，許多研究學(xué)者針對沿空留巷巷旁充填體特性進行了大量研究。張自政[3]建立了沿空留巷充填區(qū)域頂板離層力學(xué)模型，提出了錨索錨固區(qū)內(nèi)外頂板離層分區(qū)分階段控制原則；鞏躍斌[4]采用數(shù)值模擬和理論分析確定了巷旁充填體最優(yōu)充填寬度；吳志剛[5]基于采動覆巖結(jié)構(gòu)，給出了不同頂板情況下充填體載荷的計算公式。由于西銘礦42206工作面環(huán)境較為復(fù)雜，現(xiàn)針對其工作面具體條件分析沿空留巷充填體承載特性及穩(wěn)定性，保證巷道安全穩(wěn)定。

1 工程概況

西銘礦開采煤層為2號煤層，煤層平均厚度為1.8m，平均傾角為2°，結(jié)構(gòu)較簡單，屬于穩(wěn)定全層可采煤層。42206工作面皮帶巷長744m，工作面傾斜長201m。42206工作面南面為42208采空區(qū)，東面為42020和42008采空區(qū)，北側(cè)為設(shè)計42204工作面。工作面頂?shù)装迩闆r圖見表1所示。

目前開采的2#煤層回采巷道設(shè)計高度2.6m，為半煤巖巷掘進，礦井采掘比大、掘進率高，采煤工作面接替困難。為緩解采掘接替緊張并提高煤炭資源采出率，根據(jù)42206工作面煤層、頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)和采、掘等生產(chǎn)地質(zhì)條件，在42206工作面皮帶巷進行高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)研究。

2 沿空留巷巷旁充填體作用機理

在進行工作面沿空留巷時，在工作面后方15～55m范圍內(nèi)，巷道圍巖容易發(fā)生劇烈變形，因此，在此范圍內(nèi)應(yīng)著重注意充填體所受載荷及變形情況。沿空留巷充填體目前最常用的是高水材料充填，需具有足夠的支護強度，當(dāng)頂板下沉破斷時，保證沿空巷道的安全穩(wěn)定。沿空留巷巷旁充填體的作用機理有以下兩點：

（1）巷旁充填體緊貼工作面澆筑，控制沿空巷道的圍巖變形，需具有增阻速度快、早期強度高的特點，及時切斷直接頂，減小充填體所承受的頂板載荷，并且確保充填體與巷道頂板不發(fā)生離層現(xiàn)象。因此充填體的各項參數(shù)取決于工作面具體地質(zhì)條件。

（2）當(dāng)工作面推進時，礦山壓力的顯現(xiàn)必然引起工作面頂板的破斷下沉，當(dāng)直接頂破斷時，巷旁充填體應(yīng)保證頂板破斷且充填體不發(fā)生破壞，進而減小充填體上方的支護載荷。頂板破碎矸石充滿采空區(qū)時，更上部的頂板巖層在矸石和煤體的支撐下達到平衡狀態(tài)，更有利于巷道的穩(wěn)定，因此，巷旁充填體的切頂高度與工作面采高和煤層傾角及頂板巖層的碎脹系數(shù)有一定的關(guān)系；充填體除了有較高的強度外，還需具有一定的可縮性，保證與上部巖層在矸石充滿采空區(qū)前的下沉有良好的適應(yīng)性。

3 巷旁充填體力學(xué)分析及支護參數(shù)選取

由采場礦壓理論及前人所做研究可以建立如圖1所示充填體切頂沿空留巷力學(xué)模型，得到沿空留巷充填體切頂阻力計算公式為[2]：

圖1 沿空留巷力學(xué)模型

式中：

q-直接頂單位長度自重；

ML-基本頂極限彎矩；

h-基本頂巖層厚度；

d-巷旁支護體寬度；

c-巷道寬度；

Pq-切頂阻力；

△SB-基本頂跨落前B端的下沉量；

M0-A端基本頂?shù)臍堄鄰澗兀?/p>

α-煤層傾角；

NC-在采空區(qū)側(cè)受到的剪力；

△SC-AC巖塊被切斷時C端的下沉量；

σy-沿空留巷下側(cè)煤體支承壓力；

x0-應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度。

e-BC巖塊長度，其計算式為：

式中：

Lm-工作面長度；

b-基本頂來壓步距。

根據(jù)42206工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，具體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)如下：42206工作面長度為201m，埋深達到450m，端頭開采厚度平均為2.0m，來壓步距為25m，直接頂巖層厚度為1.7m，基本頂巖層厚度為8m，抗拉強度為8MPa，上覆巖層容重取25 kN/m3，側(cè)壓系數(shù)取0.4，沿空留巷巷道寬度為3.6m，巷旁充填體寬度為1.6m，煤層平均傾角為2°，煤層與頂?shù)装鍘r層摩擦角取25°，粘聚力取2MPa，煤壁采用支護阻力為0.12MPa的錨桿進行支護。

將上述工作面具體參數(shù)帶入公式（1），可以計算得到42206工作面巷旁充填體應(yīng)具有的切頂阻力為1342kN/m。

4 高水材料巷旁充填體參數(shù)設(shè)計

根據(jù)類似工作面工程經(jīng)驗，結(jié)合42206工作面皮帶巷具體地質(zhì)條件，將高水材料水灰比設(shè)計為1.5:1。巷旁充填體全部位于采空區(qū)內(nèi)，留巷寬度為3.6m。工作面采高為2.0m，每天回采6.4m，按照每天兩班充填考慮，充填體長度設(shè)計為3.2m，高度為2.0m，寬度為1.6m。

采用對拉錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼筋梯子梁對充填體進行加強支護，進一步增強巷旁充填體的抗變形能力。對拉錨桿間排距750×800mm，最上部的對拉錨桿距頂板300mm，最下部的對拉錨桿距底板200mm。對拉錨桿采用Φ20×1800mm螺紋鋼加工，錨桿兩頭各滾絲100mm，鋼筋梯子梁采用Φ14mm圓鋼焊制。充填體外部鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)進行加固，鋼筋網(wǎng)參數(shù)為Φ6.0mm鋼筋，鋼筋網(wǎng)用雙股鐵絲連接固定且兩鋼筋網(wǎng)片間搭接長度不少于100mm，網(wǎng)孔小于等于100×100mm。充填體加固圖如圖2所示。

圖2 充填體加強支護布置圖

5 施工工藝

（1）充填區(qū)域頂板支護

工作面割煤→端頭液壓支架鋪設(shè)頂網(wǎng)→錨桿加固充填區(qū)域頂板→移架→架后單體液壓支柱臨時支護充填區(qū)域頂板。

（2）構(gòu)筑充填體

根據(jù)推進長度，每天構(gòu)筑1～2垛充填體：清理浮煤→充填體定位→立模（掛鋼筋網(wǎng)、支設(shè)單體液壓支柱、吊掛充填袋、穿對拉錨桿）→制漿→充填→回收單體液壓支柱。

（3）清理現(xiàn)場，準備下一循環(huán)。

6 充填設(shè)備選型及布置

42206工作面每班的充填量為10.24m3，每班的純充填時間按照1.5h計算，每小時需要充填5.12m3。因此，選擇的充填泵能力應(yīng)在114L/min以上?？紤]高水材料最大輸送距離約1000m，根據(jù)每百米0.4MPa的輸送阻力，初步確定選用型號為ZBYSB340/18-55型液壓雙液注漿泵，額定流量340L/min，額定壓力18MPa。

選定設(shè)備及管路規(guī)格要求見表2所示。

輔助運輸采用單軌吊，泵站布置于西十二單軌吊巷內(nèi)的寬3.5m以上、長約20m的一段巷道或硐室，布置2臺雙液等量充填泵，5臺電磁啟動器，4臺攪拌桶，攪拌桶附近布置料場。如圖3所示。

表2 選定的設(shè)備及管路規(guī)格

圖3 泵站布置示意圖

7 結(jié)語

為保證西銘礦42206工作面皮帶巷沿空留巷的巷道穩(wěn)定，針對沿空留巷巷旁充填體特性進行研究，通過理論分析確定了充填體長度為3.2m，高度為2.0m，寬度為1.6m，并確定了具體充填施工工藝及配套設(shè)備布置。留巷以來充填體完好，保證了下個采煤工作面的安全使用。