矸石充填開采沿充留巷擋矸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工工藝探討

吳玉意 朱 磊 黃劍斌

（中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

為了開采“三下”壓煤或解決矸石等固廢排放問題，在采煤工作面回采時(shí)，將充填材料充入采空區(qū)，順槽范圍不充填，同時(shí)，將順槽通過特殊支護(hù)材料或支護(hù)技術(shù)沿充填材料邊緣保留下來(lái)，稱為沿充留巷。沿充留巷少掘一條順槽，回收了煤柱，同時(shí)，充分利用了充填開采減壓降沉的功能，與沿空留巷相比，壓力低，變形小，成本低，效果好。沿充留巷能夠有效兼顧煤礦開采的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益，不但解決矸石排放問題、環(huán)境問題和土地資源問題，而且一定程度上可控制沿空巷道圍巖穩(wěn)定性[1-7]。

如何在進(jìn)行矸石充填開采的同時(shí)，有效擋矸進(jìn)行沿空留巷，是擺在當(dāng)前的難題。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）矸石隨采隨充，緊跟支架后方，矸石本身由于重力作用產(chǎn)生重力側(cè)壓力，在充填支架夯實(shí)壓力作用下，又增加了機(jī)械夯實(shí)側(cè)壓力；（2）距離充填支架后方一定距離，頂板垮落壓實(shí)采空區(qū)矸石，產(chǎn)生附加側(cè)壓力。本文探討矸石充填開采條件下沿充留巷擋矸系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)及施工工藝。

1 矸石充填開采沿充留巷介紹

如圖1（a）所示，矸石充填開采是將矸石等充填材料通過運(yùn)矸系統(tǒng)輸送至懸掛在充填液壓支架后頂梁的多孔底卸式刮板輸送機(jī)上，再由多孔底卸式輸送機(jī)的卸料孔將矸石充填入采空區(qū)，最后經(jīng)過充填支架后部夯實(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行夯實(shí)。而矸石充填開采沿充留巷則是將矸石充填開采與沿空留巷結(jié)合起來(lái)，在矸石充填開采的同時(shí)，將順槽保留下來(lái)，為下一個(gè)工作面服務(wù)，如圖1（b）所示。

2 矸石充填開采沿充留巷擋矸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 擋矸系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

為保障沿充留巷成功，需要在端頭架后方設(shè)置擋矸系統(tǒng)。擋矸系統(tǒng)由金屬網(wǎng)、架間錨索、單體、木點(diǎn)柱、擋矸裝置、墩柱組成。從采空區(qū)向留巷方向，依次為擋矸裝置、金屬網(wǎng)、單體+木點(diǎn)柱、墩柱。由于上述擋矸材料在采空區(qū)施工，為保證頂板支護(hù)安全，在1#、2#支架之間補(bǔ)打架間錨索。擋矸系統(tǒng)組成之間的相互位置關(guān)系如圖2所示。

圖1 矸石充填開采沿充留巷示意圖

圖2 擋矸系統(tǒng)三維示意圖

2.2 擋矸系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)依托工程為葫蘆素煤礦CT21201工作面主采2-1煤，煤層平均埋深628m，平均開采厚度3.46m。直接頂主要為粉砂巖，平均厚度9.7m。工作面長(zhǎng)度80m，對(duì)運(yùn)煤巷進(jìn)行沿充留巷，運(yùn)煤巷斷面為矩形，高度3.2m，寬度5.4m。

圖3 擋矸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

擋矸系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)：架間錨索規(guī)格為Φ17.8×6200mm，間距1.2m；木點(diǎn)柱規(guī)格為Φ200×3200 mm，間距1.2m，木點(diǎn)柱中間布置臨時(shí)單體；金屬網(wǎng)采用雙層，外層采用8#菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)格40×40mm，內(nèi)層采用Φ6光圓鋼筋焊接金屬網(wǎng)，網(wǎng)格100×100mm，每片尺寸1.0×3.2m；墩柱直徑0.8m，中心距1.2 m。具體如圖3所示。

擋矸裝置如圖4所示，由鋼板焊制而成，呈刀把型，高度3m，長(zhǎng)度12m，厚度50mm，內(nèi)側(cè)加焊11#工字鋼，設(shè)5排，排間距0.5m，增加擋矸裝置剛度，避免推力作用下發(fā)生彎曲變形。

圖4 擋矸裝置立面圖

2.3 擋矸裝置摩阻力驗(yàn)算

由于擋矸裝置通過充填支架進(jìn)行拉移，擋矸裝置受矸石側(cè)向摩擦力，采用朗肯土壓力理論計(jì)算主動(dòng)土壓力。擋矸裝置的主動(dòng)側(cè)壓力計(jì)算公式為：

式中：

Ea-主動(dòng)矸石壓力， kN/m；

γ- 矸石容重，kN/m3；

H-矸石高度，m；

φ-矸石內(nèi)摩擦角，°。

根據(jù)充填開采情況，γ=1.8 t/m3，H=3.2m，φ=30°，代入公式（1），得Ea=30.72kN/m3。

摩阻力計(jì)算公式如（2）所示：

式中：

μ-摩擦系數(shù)；

Ea-側(cè)壓力，N。

取矸石與擋矸裝置的摩擦系數(shù)為0.2，擋矸裝置與木點(diǎn)柱之間的摩擦系數(shù)為0.3，根據(jù)公式（2）計(jì)算，擋矸裝置所受摩阻力為15kN/m。擋矸裝置與矸石及木點(diǎn)柱有效接長(zhǎng)度為9m，則合計(jì)摩擦力為 =15×9=135kN。

充填支架重量40 t，支架推拉油缸拉力800kN，按充填支架與底板摩擦系數(shù)0.2計(jì)算，則所需拉力為充填支架摩阻力與擋矸裝置摩阻力之和，兩者和為215kN，遠(yuǎn)小于推拉油缸800kN，安全系數(shù)達(dá)到3.7，滿足要求。

2.4 巷旁支護(hù)擋矸強(qiáng)度驗(yàn)算

巷旁支護(hù)采用混凝土墩柱，需要驗(yàn)算兩個(gè)方面：第一，在采空區(qū)矸石側(cè)壓力作用下不發(fā)生側(cè)向位移；第二，在側(cè)壓力作用下本身不發(fā)生彎曲破斷。

（1）抗側(cè)移驗(yàn)算

巷旁支護(hù)體強(qiáng)度采用修改分離巖塊法進(jìn)行計(jì)算，力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 沿充留巷力學(xué)計(jì)算模型

根據(jù)上述模型，分離巖塊以煤壁起裂點(diǎn)為o點(diǎn)，力矩總和為零且巷道處于力學(xué)平衡狀態(tài)，得出墩柱受力計(jì)算公式：

式中：

a-起始斷裂位置到煤壁寬度，m；

x-巷旁支護(hù)寬度，m；

c-懸頂距，m；

γ-分離巖塊容重，kN/m3；

hz-等價(jià)采高，m；

α-直接頂垮落角，°；

H-垮落帶高度，4倍采高，m；

q-上部載荷，kN/m；

k-覆巖影響倍數(shù)；

F-支護(hù)體荷載，kN/m；

L-分離巖塊的長(zhǎng)度，m。

根 據(jù) 公 式（3），b為5.4m，x為0.8m，c為1m，γ為 24kN/m3，hz為 0.9m，α為 17 °，H為12.8m，a取0m，k取15，L為7.2m。計(jì)算可得每米巷旁支護(hù)體的荷載為3721kN/m，墩柱中心距1.2 m，即墩柱承受荷載為3721kN/m×1.2m=4465kN。

墩柱承受頂板與底板兩端摩阻力，摩擦系數(shù)取0.2，根據(jù)公式（2），可得墩柱受頂?shù)装鍔A持所產(chǎn)生的摩阻力為f=4465×0.2×2=1786kN。

沿充留巷滯后工作面一定距離后，采空區(qū)頂板垮落下沉，對(duì)充填體產(chǎn)生壓力，增加了側(cè)向壓力，側(cè)向壓力計(jì)算公式如下：

式中：

q-充填體上部荷載，kN/m。

等效采高按0.9m計(jì)算，荷載取采高的6倍，巖石容重取24kN/m3，則產(chǎn)生在充填體上的荷載為129.6kN/m2，代入公式（6），可得充填體頂部側(cè)壓力為Pa1=43.2kN/m，底部側(cè)壓力Pa2=62.4kN/m。對(duì)墩柱產(chǎn)生的側(cè)壓力計(jì)算公式為：

根據(jù)公式（7），h為3.2m，得Ea=168.9kN/m，單根墩柱擋矸范圍長(zhǎng)度1.2m，則側(cè)壓力為202kN/m。根據(jù)上述計(jì)算，矸石側(cè)向壓力遠(yuǎn)小于墩柱在頂?shù)装鍔A持下具有的抗移能力1791kN。

（2）抗彎能力驗(yàn)算

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將側(cè)向壓力看作均布荷載，則墩柱的彎矩計(jì)算公式為：

根據(jù)公式（6），q=63.1kN/m，h=3.2m，得出M=80.7kN.m。偏心距計(jì)算公式為：

根據(jù)前述計(jì)算，F(xiàn)=4465kN，得偏心距為0.018m，屬于小偏心受壓，滿足抗彎及穩(wěn)定性要求。

3 矸石充填開采沿充留巷擋矸系統(tǒng)施工工藝

3.1 總體工藝

結(jié)合葫蘆素煤礦工程地質(zhì)條件，沿充留巷總體方案如圖6所示。工作面三巷布置，運(yùn)煤巷出煤，進(jìn)矸巷運(yùn)矸，輔運(yùn)巷運(yùn)送材料及混凝土。運(yùn)煤巷進(jìn)行沿充留巷。施工時(shí)，在端頭支架前鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)，端頭支架1#、2#架支架拉開300mm間距，架間打設(shè)架間頂錨索。端頭架后方拖擋矸裝置。充填采煤工作面推過后，立即在支架后方貼擋矸裝置架立擋矸網(wǎng)并打木點(diǎn)柱及單體支護(hù)。之后支設(shè)墩柱管模，然后向管模內(nèi)泵送注入混凝土形成墩柱。為了在墩柱形成有效強(qiáng)度以前及時(shí)支護(hù)頂板，在工作面后方一定范圍內(nèi)及時(shí)支設(shè)一梁四柱作為臨時(shí)支護(hù)。與此同時(shí)，在工作面后方一定距離對(duì)墩柱之間的金屬網(wǎng)進(jìn)行噴漿封閉采空區(qū)。

圖6 充填留巷圍巖控制方案平面布置

3.2 墩柱施工工藝

墩柱不僅作為擋矸系統(tǒng)的重要組成部分，還是巷旁支護(hù)的主體，墩柱的施工質(zhì)量關(guān)系到沿充留巷的成敗。其施工設(shè)備主要包括地面混凝土制備輸送機(jī)組、井下混凝土上料機(jī)、井下混凝土攪拌機(jī)、井下混凝土泵。井下設(shè)備布置在留巷內(nèi)，滯后工作面300m。模板采用具有接頂功能的管模，混凝土材料采用遠(yuǎn)距離泵送免振搗早強(qiáng)混凝土。具體施工工序?yàn)椋旱孛姘韬突炷粮闪稀闪系孛嫦蚓逻\(yùn)輸→支?！狭?、攪拌、泵送→注入管模中→接頂完成墩柱施工。

4 結(jié)論

（1）給出了矸石充填開采沿充留巷擋矸系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)，提出了擋矸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及公式，并針對(duì)葫蘆素煤礦充填開采沿充留巷，對(duì)擋矸系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)算。

（2）同時(shí)探討了矸石充填開采沿充留巷擋矸系統(tǒng)工藝，重點(diǎn)介紹了墩柱施工方法，為類似工程提供了借鑒。