李堂煤礦薄煤層開采沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用

孫秋榮 胡鑫印

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，江蘇省蘇州市，215337)

我國華東地區(qū)煤炭資源埋深較深，隨開采深度的增加、原巖應(yīng)力不斷提高，為保證安全開采，保安煤柱留設(shè)尺寸越來越大，但巷道維護(hù)效果仍較差[1-2]。另一方面，薄煤層工作面回采巷道是半煤巖巷，施工速度慢、出矸多，工效低下，薄層煤開采成本較大，同時(shí)半煤巖巷道掘進(jìn)速度慢，會(huì)造成薄煤層工作面采掘接替緊張，而采用沿空留巷技術(shù)，可解決接替緊張的難題。一直以來沿空留巷都應(yīng)用金屬支架作為巷內(nèi)支護(hù)的方法，經(jīng)過二次動(dòng)壓作用的沿空留巷圍巖變形量較大，金屬支架難以適應(yīng)沿空留巷圍巖的大變形，支架破壞嚴(yán)重，巷道維護(hù)效果較差。近年來，先進(jìn)的錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展及性能良好的錨桿(索)的推廣應(yīng)用，促進(jìn)了沿空留巷技術(shù)的發(fā)展[3-4]。在沿空留巷巷旁支護(hù)理論發(fā)展的同時(shí)，巷旁充填材料也有了較快發(fā)展。德國的巷旁支護(hù)采用硬石膏、飛灰加硅酸鹽水泥、矸石加膠結(jié)料等低水材料作為巷旁充填材料，有效減少了重型支架的使用和巷道的變形，從而實(shí)現(xiàn)較大斷面巷道二次利用，且不需修理，取得了良好經(jīng)濟(jì)效益，目前德國有一半以上的采區(qū)采用這項(xiàng)技術(shù)[5]。2004年，中國礦業(yè)大學(xué)馬立強(qiáng)博士通過分析綜放沿空留巷頂板巖層垮落的分期規(guī)律和空間特征，運(yùn)用采動(dòng)巖體的關(guān)鍵層理論建立了綜放沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，研究得出了由于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊轉(zhuǎn)動(dòng)作用對充填體施加的給定變形量以及充填體所需承受的應(yīng)力，為綜放開采沿空留巷巷內(nèi)充填體的穩(wěn)定性分析提供了一定的理論基礎(chǔ)[6-8]。

薄煤層堅(jiān)硬頂板沿空留巷研究較少，使用高水速凝砂漿材料進(jìn)行沿空留巷時(shí)，可以改善鄰近采空區(qū)的巷道維護(hù)效果[9-11]。采用該沿空留巷技術(shù)具備以下主要優(yōu)勢[12-13]：提高資源回收率、改善采掘接替、隅角瓦斯難以積聚、降低深部采煤面溫度。沿空留巷技術(shù)如圖 1所示，由于沿空巷道受兩次工作面采動(dòng)影響，巷道圍巖松動(dòng)圈擴(kuò)大，塑性區(qū)范圍增大，頂板破碎，對支護(hù)強(qiáng)度要求很高[14-17]。

李堂煤礦位于江蘇省豐縣，該礦92102工作面開采9-2煤層，煤層厚度平均為1.2 m，該工作面雙巷為半煤巖巷，巷道施工速度慢，施工成本高，采掘接替關(guān)系緊張。針對李堂煤礦的生產(chǎn)實(shí)際情況，為解決上述問題，有必要開展高水速凝材料沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用。

圖1 沿空留巷示意圖

1 充填支護(hù)墻體寬度和水灰比確定

為了詳細(xì)分析李堂煤礦沿空留巷巷旁充填支護(hù)墻體合適寬度，根據(jù)李堂煤礦92102軌道巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，利用FLAC3D模擬分析充填體及圍巖的應(yīng)力分布特性及塑性變化等情況，研究確定巷旁充填體寬度。

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，模擬煤層厚度1.2 m，計(jì)算模型尺寸(長×寬×高)為150.55 m×72 m×39.52 m，上部邊界壓力按采深600 m計(jì)算，巷道尺寸(寬×高)為3.4 m×2.4 m(中線)，數(shù)值計(jì)算模型巖石性能及力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石性能及力學(xué)參數(shù)

1.1 充填支護(hù)墻體寬度確定

模擬充填支護(hù)墻體寬度在0.7 m、1.0 m、1.3 m、1.5 m情況下，巷道受采動(dòng)影響時(shí)圍巖應(yīng)力云圖情況見圖2。

由圖2可知，在巷道范圍內(nèi)，充填支護(hù)墻體寬度為0.7 m時(shí)，頂板應(yīng)力較大，頂板中部在圍巖壓力作用下產(chǎn)生了破壞應(yīng)力，巷道頂板產(chǎn)生了拉應(yīng)力，塑性區(qū)范圍較大；充填體寬度為1.0 m、1.3 m、1.5 m時(shí)頂板整體性較好。在充填支護(hù)墻體范圍內(nèi)，充填支護(hù)墻體中間部位應(yīng)力高于兩側(cè)，且充填支護(hù)墻體寬度為0.7 m時(shí)，最大應(yīng)力不大于原巖應(yīng)力，寬度在1.0～1.5 m時(shí)，充填支護(hù)墻體完整性較好，應(yīng)力分布較均勻。

模擬充填支護(hù)墻體寬度在0.7 m、1.0 m、1.3 m、1.5 m情況下，巷道受采動(dòng)影響時(shí)巷內(nèi)塑性區(qū)分布見圖3。

圖2 充填支護(hù)墻體不同寬度巷道圍巖及充填支護(hù)墻體應(yīng)力云圖

圖3 充填支護(hù)墻體不同寬度巷道及充填支護(hù)墻體塑性區(qū)圖

由圖3可以看出，不同充填支護(hù)墻體寬度下，巷道受力破壞的方式相同，都是以剪切破壞為主。當(dāng)巷旁充填支護(hù)墻體寬度為0.7 m時(shí)，巷道圍巖產(chǎn)生較大應(yīng)力形變，且表面出現(xiàn)較高的應(yīng)力，產(chǎn)生了拉應(yīng)力破壞，而充填支護(hù)墻體上方頂板破壞表面與巷道頂板不是垂直，有一定夾角，由于發(fā)生了剪切性的破壞，此時(shí)上覆巖層發(fā)生明顯的旋轉(zhuǎn)下沉；巷旁充填支護(hù)墻體寬度為1.0 m時(shí)，此時(shí)巷道圍巖變形量明顯變小，充填支護(hù)墻體在切斷頂板后較為穩(wěn)定，巷內(nèi)頂板和實(shí)體煤幫受拉應(yīng)力破壞產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍變小，頂板下沉量也減小，整體塑性區(qū)范圍明顯減?。幌锱猿涮钪ёo(hù)墻體寬度為1.3 m時(shí)，與寬度為0.7 m時(shí)比較，巷道變形量及塑性區(qū)有明顯減小，但與巷旁支護(hù)體寬度1.0 m比較沒有明顯變化；當(dāng)巷旁充填支護(hù)墻體寬度為1.5 m時(shí)，此時(shí)充填支護(hù)墻體及巷內(nèi)頂板的變形量及塑性范圍較小，且巷內(nèi)圍巖由張拉破壞變?yōu)榧羟衅茐?，說明此時(shí)巷內(nèi)支護(hù)較為穩(wěn)定，圍巖破壞以擠壓剪切為主。

通過采用數(shù)值模擬軟件對上述沿空留巷巷旁充填支護(hù)墻體不同寬度的研究分析，得出了充填支護(hù)墻體與巷道的應(yīng)力分布和塑性區(qū)范圍，并對不同的結(jié)果進(jìn)行了比較，支護(hù)體的寬度在0.7 m時(shí)，墻體及巷道變形較大，巷道的維護(hù)狀況不良；充填支護(hù)墻體寬度在1.0 m時(shí)，形變量不大，塑性范圍較小，為合理的寬度；支護(hù)體在1.3 m和1.5 m時(shí)，形變量與寬度為1.0 m相比變化不大，但考慮到留巷成本較大在經(jīng)濟(jì)上不合理，故不予考慮。綜合該礦的生產(chǎn)經(jīng)營情況，最終得出巷旁留巷合適的充填支護(hù)墻體寬度為1.0 m。

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值分析計(jì)算表明：巷旁充填支護(hù)墻體的寬度太小會(huì)嚴(yán)重影響留巷的維護(hù)效果。由巷旁充填支護(hù)墻體變形和留巷變形受控的情況分析，當(dāng)巷旁充填支護(hù)墻體寬為1.0 m時(shí)可以保障較好的巷道控制效果。

綜上所述，巷旁充填支護(hù)墻體的寬度為1.0 m時(shí)，采煤側(cè)充填1.0 m，留巷后巷道寬度3.4 m、高度1.4 m，巷旁充填支護(hù)墻體與沿空留巷圍巖穩(wěn)定，能夠滿足沿空留巷使用要求。

2 工業(yè)性試驗(yàn)

2.1 巷內(nèi)增強(qiáng)支護(hù)

沿空留巷需要經(jīng)歷兩次工作面采動(dòng)的影響，頂板活動(dòng)強(qiáng)烈，為控制沿空留巷頂板，提高留巷效果，需在現(xiàn)有錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行增強(qiáng)支護(hù)，具體增強(qiáng)支護(hù)方案如下：

采用?17.8 mm×6200 mm的預(yù)緊應(yīng)力錨索對巷道的頂板進(jìn)行增強(qiáng)支護(hù)，錨索每排兩根，間排距為1600 mm×1200 mm，每根錨索分別采用一支CK2340藥卷和兩支Z2360藥卷，每根錨索采用長×寬×厚為300 mm×300 mm×16 mm鋼托盤和一鎖套，錨索安裝預(yù)緊應(yīng)力不小于195 kN，錨索錨固力不小于380 kN；實(shí)體煤幫及留巷幫下部采用?20 mm×2200 mm的螺紋鋼錨桿加強(qiáng)支護(hù)，巷內(nèi)增強(qiáng)支護(hù)布置如圖4所示。

圖4 92102軌道巷巷內(nèi)增強(qiáng)支護(hù)布置圖

2.2 留巷段輔助加強(qiáng)支護(hù)方案

由于沿空留巷頂板受多次采動(dòng)影響，頂板活動(dòng)比較劇烈，因此需要對該段進(jìn)行增強(qiáng)支護(hù)，結(jié)合現(xiàn)場巷道狀況，采用單體液壓支柱進(jìn)行增加支護(hù)。根據(jù)該工作面生產(chǎn)地質(zhì)狀況和行業(yè)規(guī)程要求，在工作面后100～120 m范圍內(nèi)鋪設(shè)傾向架棚，傾向架棚由單體液壓支柱和一字鉸接頂梁組成，每排3根，間排距均為1.0 m，在工作面前方25～30 m范圍內(nèi)安設(shè)傾向架棚，傾向棚子由單體液壓支柱和鉸接梁組成，每排4根，間排距為800 mm×1000 mm，同時(shí)在充填支護(hù)墻體采空區(qū)側(cè)安設(shè)擋矸支架作為臨時(shí)支護(hù)。單體液壓支柱加強(qiáng)支護(hù)如圖5所示。

圖5 留巷段輔助加強(qiáng)支護(hù)

2.3 充填支護(hù)墻體成型技術(shù)

為了增加充填體的承載能力和抗橫向變形能力，在充填體內(nèi)布置對拉錨桿加固充填體，對拉錨桿間排距為900 mm×900 mm，最下面1根距底板250 mm，最上面1根距頂板250 mm，對拉錨桿采用?20 mm螺紋鋼材料制作，托盤規(guī)格(長×寬×厚)為150 mm×150 mm×10 mm。采用?14 mm圓鋼焊制的鋼筋梯子梁，鋼筋網(wǎng)要求使用?6.5 mm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100 mm。充填體加固方案如圖6所示。

圖6 充填支護(hù)墻體成型及加固方案

2.4 位移監(jiān)測

對巷道圍巖位移進(jìn)行監(jiān)測，每隔10 m記錄一次充填體側(cè)頂?shù)装逡平?、巷道中部頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平俊Ｏ锏绹鷰r位移監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，采用充填墻體支護(hù)后，巷道頂、底板相對位移量較煤幫相對位移量要大，而從整體數(shù)值來看，數(shù)值變化量不大，說明圍巖整體的絕對移近量不大。由此可以推斷，充填支護(hù)墻體對上覆巖層起到了較好的支撐作用，有效防止了圍巖松動(dòng)圈的進(jìn)一步擴(kuò)大。

根據(jù)巷道位移數(shù)據(jù)的分析，可以將圍巖的變形分為4個(gè)階段：圍巖的變形首階段為0～20 m范圍，此范圍內(nèi)充填支護(hù)墻體凝結(jié)時(shí)間短、強(qiáng)度處于成長階段，受采動(dòng)影響變形劇烈；圍巖變形第2階段為20～55 m范圍，此范圍內(nèi)充填支護(hù)墻體發(fā)揮了承載作用，充填支護(hù)墻體利用自身強(qiáng)度切斷了基本頂，巷道四周的應(yīng)力改變后再分布，變形趨向穩(wěn)定；巷道變形的第3段為55～115 m的范圍，上位頂板被充填支護(hù)墻體切斷后，圍巖應(yīng)力重新分布，此時(shí)上位巖層在采空區(qū)冒落矸石、充填支護(hù)墻體和巷內(nèi)支護(hù)的共同作用下趨于穩(wěn)定；圍巖變形第4階段為120 m以后，此階段頂板活動(dòng)趨于穩(wěn)定，圍巖變形速度較小、變形量也較小，為留巷穩(wěn)定階段。

圖8 留巷后圍巖變形與工作面距離的關(guān)系

3 主要結(jié)論

(1)通過礦壓監(jiān)測結(jié)果分析，得到了該留巷圍巖的變形規(guī)律，即在該面后方26～51 m范圍內(nèi)，頂板活動(dòng)強(qiáng)烈，圍巖壓力顯現(xiàn)明顯。在采煤面后方50～120 m范圍內(nèi)，上覆頂巖及煤幫應(yīng)力重新分布，頂板活動(dòng)趨于穩(wěn)定。在工作面后方120 m后，屬于留巷穩(wěn)定階段。

(2)薄煤層開采過程中，使用沿空留巷技術(shù)，可以大幅度改善采掘接替的關(guān)系，提高煤炭資源的回收率。