高水充填技術(shù)在下行開采沿空留巷中的應(yīng)用

常利軍

【摘 要】 文章針對煤礦下行開采中圍巖應(yīng)力集中、巷道支護(hù)困難的問題，基于對沿空留巷圍巖活動規(guī)律及受力分析和高水速凝材料巷旁充填工藝的特點(diǎn)，在某礦2304工作面軌道順槽采用了高水充填沿空留巷技術(shù)?，F(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明：下行開采沿空留巷中頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬σ平糠謩e為86mm和112mm，有效控制了巷道圍巖變形，為巷道安全復(fù)用提供了保證。

【關(guān)鍵詞】 高水速凝材料;巷旁充填;沿空留巷;圍巖變形

【中圖分類號】 TD353 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）01-0011-03

沿空留巷技術(shù)屬于無煤柱開采技術(shù)，具有高煤炭回采率、可緩解采掘接替緊張、優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)和消除煤柱應(yīng)力集中等優(yōu)點(diǎn)，近年來在我國各大礦區(qū)得以廣泛應(yīng)用。下行開采沿空留巷時，下位煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境受上位煤層采動影響而發(fā)生變化，為巷道圍巖控制造成困難。高水速凝材料巷旁充填憑借支護(hù)阻力大、增阻速度快、機(jī)械化程度高及可與頂板下沉相適應(yīng)等特點(diǎn)，成為了一種十分理想的沿空留巷巷旁支護(hù)材料。某礦2304工作面軌道順槽位于2#煤層采空區(qū)下方，為了解決該礦下行開采中圍巖應(yīng)力集中、巷道支護(hù)困難等難題，在2304工作面軌道順槽進(jìn)行了高水速凝材料巷旁充填沿空留巷試驗(yàn)。

1工程概況

2304工作面位于3#煤層2采區(qū)左翼，井下標(biāo)高+740～+800m，平均標(biāo)高+770m;地面標(biāo)高+1201～+1354m，平均標(biāo)高+1277.5m。3#煤層厚度1.84～3.06m，平均厚度2.45m;煤層傾角2°～12°，平均傾角7°。3#煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，為全區(qū)可采煤層。3#煤層與上位2#煤層平均間距3.06m。2304工作面頂?shù)装迩闆r如圖1所示。

2304工作面北鄰2302工作面采空區(qū)，南為2306工作面（設(shè)計開采），東為二采區(qū)皮帶巷，西為井田邊界。工作面布置情況如圖2所示。在2304工作面回采結(jié)束后，將2304軌道順槽保留下在2306工作面回采時作為進(jìn)風(fēng)順槽復(fù)用，以減少巷道掘進(jìn)量，提高工作面生產(chǎn)效率。

2下行開采頂板巖層活動及巷旁充填體作用分析

近距離煤層下行開采時，上位煤層回采期間及回采后形成的應(yīng)力集中區(qū)對下位煤層頂板巖層造成一定程度的損傷，且該損傷按一定的規(guī)律由上向下傳遞。在下位煤層回采期間，其礦壓顯現(xiàn)因受上位煤層回采和本煤層回采而更加劇烈和復(fù)雜。此外，在工作面回采初期，其頂板小部分巖層率先發(fā)生垮落，而隨工作面推進(jìn)距離增大到一定程度后，其頂板才會發(fā)生巖層整體破斷和垮落。雖然，下位煤層頂板因上位煤層回采而發(fā)生損傷和破壞，但研究表明此時的巖層仍表現(xiàn)出良好的力學(xué)連續(xù)性，故在下位煤層回采時仍可將其頂板作為彈性薄板進(jìn)行分析。對于采空區(qū)頂板而言，在其發(fā)生巖層整體破斷前可將頂板巖層視為四邊固支薄板，且隨工作面推進(jìn)，頂板巖層先沿薄板的長邊破斷，繼而沿其短邊破斷，最后在其中部產(chǎn)生拉裂紋，最終頂板巖層形成“O-X”式破斷。

由于巷旁充填體具有早期強(qiáng)度高和增阻速度快等特性，且隨工作面推進(jìn)而構(gòu)筑，因而通過在巷道采空區(qū)側(cè)構(gòu)筑充填體，可有效防止巷道頂板沿長邊發(fā)生破斷和離層的發(fā)生，繼而防止其發(fā)生進(jìn)一步的破壞。另外，受工作面推進(jìn)影響，巷道基本頂發(fā)生破斷、失穩(wěn)和沉降，因此務(wù)必確保巷旁充填體支護(hù)阻力在基本頂破斷時達(dá)到切頂阻力而將采空區(qū)側(cè)基本頂切斷，達(dá)到降低巷旁充填體載荷的目的。此外，巷旁充填體具有一定的可縮量，能較好地適應(yīng)頂板巖層達(dá)到新平衡之前發(fā)生的沉降變形。

3高水速凝材料巷旁充填工藝

3.1充填設(shè)備的選擇

高水速凝材料的輸送形式可分為兩類：即風(fēng)力輸送與水力泵送。風(fēng)力輸送距離短，一般只有100～200m，工人勞動強(qiáng)度大，工作環(huán)境灰塵多，且風(fēng)力輸送在充填點(diǎn)加水，水量控制困難，往往造成巷旁充填體各部分強(qiáng)度高底不一，影響整體澆筑效果。水力泵送與風(fēng)力輸送相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，見表1所示，因此選用水力泵送高水速凝材料。

高水速凝材料的甲料和乙料兩部分必須等量進(jìn)漿、混合均勻，其強(qiáng)度才能達(dá)到最大，傳統(tǒng)泵由于兩側(cè)注漿泵不能同時進(jìn)行進(jìn)漿和出漿工作，且注漿量不同，而導(dǎo)致兩種料漿不能等量進(jìn)漿和攪拌不均勻。因此，本文采用了2ZBSB8～1.1/6-22型礦用雙液變量注漿泵，該泵雙缸相互獨(dú)立，通過兩個吸排口能按照1∶1的比例同時進(jìn)行甲料和乙料的注漿，其基本性能指標(biāo)如表2所示。

3.2充填工藝

高水速凝材料巷旁充填基本工藝流程如圖3所示。

該充填系統(tǒng)主要由井下充填泵站、輸送管路和充填點(diǎn)3部分組成。首先，將當(dāng)天所需甲料和乙料分別存于充填泵站;然后將甲料和乙料分別在1#、2#和3#、4#攪拌桶中攪拌（5#、6#攪拌桶為備用），且當(dāng)1#和3#攪拌桶供漿時，給2#和4#攪拌桶加水并上料。在充填點(diǎn)，根據(jù)巷內(nèi)已構(gòu)筑完畢的充填體對充填空間進(jìn)行快速定位，并對所充填區(qū)域的頂板進(jìn)行臨時支護(hù)，將浮煤清理完畢后，將合適的充填袋放在鋼筋網(wǎng)內(nèi)并將其聯(lián)接好，然后穿上對拉鋼筋，并將單體支柱打牢。完成上述工作后，由專人對工程質(zhì)量進(jìn)行檢查，在充填泵站操作人員收到工程質(zhì)量合格可進(jìn)行充填作業(yè)的信號后開始啟泵充填。充填點(diǎn)設(shè)專人對出料口流出料漿進(jìn)行觀察，確保所流出料漿為攪拌均勻的甲、乙混合料漿后，將混合管插入充填袋內(nèi)進(jìn)行正式充填。

4巷內(nèi)支護(hù)

4.1巷內(nèi)基本支護(hù)

2304軌道順槽位于2#煤層采空區(qū)下方，由于3#和2#煤層層間距為3.06m（<4m），屬極近距離煤層下行開采。上位2#煤層的回采導(dǎo)致3#煤層頂板巖層破壞，完整性降低，在3#煤層回采過程中極易在超前支撐壓力作用下發(fā)生冒頂危險?；诖?，2304軌道順槽采用U型鋼梯形棚+錨桿+短預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù)，具體支護(hù)方案如圖4所示。

4.2巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)

基于沿空留巷圍巖變形規(guī)律，在沿空留巷巷內(nèi)基本支護(hù)的基礎(chǔ)上，分超前支護(hù)、充填點(diǎn)臨時支護(hù)和工作面后加強(qiáng)支護(hù)三階段對沿空留巷圍巖進(jìn)行巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)，具體如圖5所示。

超前加強(qiáng)支護(hù)。首先，采用3.6m的π型梁+單體柱按照“一梁三柱”的布置方式對2304綜采工作面端頭進(jìn)行支護(hù);其次，在巷道兩側(cè)超前工作面25m范圍內(nèi)各安裝2組ZT2×3200/15/30型超前支護(hù)支架，在超前工作面25～30m范圍內(nèi)采用3.6m的π型梁+單體柱按照“一梁三柱”的布置方式進(jìn)行超前支護(hù)。

充填點(diǎn)臨時支護(hù)。工作面機(jī)尾頂板采用鐵絲網(wǎng)+W鋼帶+φ20×2200mm螺紋鋼錨桿+鐵餅壓網(wǎng)進(jìn)行支護(hù);拉移排頭支架后，采用1m的π型梁+單體支柱以“一梁二柱”的布置方式對排頭支架尾部至采空區(qū)側(cè)2.7m范圍內(nèi)的頂板進(jìn)行臨時支護(hù);另外，采用相同的π型梁+單體支柱以“一梁三柱”的布置方式對支架尾部進(jìn)行支護(hù)。

工作面后方加強(qiáng)支護(hù)。為保證開始階段巷旁充填體結(jié)構(gòu)完整，對采用單體柱按照800×100mm的間排距（共布設(shè)4排）對工作面后150m范圍內(nèi)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

5留巷效果分析

為了掌握采用高水速凝材料沿空留巷期間，2304軌道順槽圍巖變形情況，在沿空留巷開始20m處且隨后每隔20m設(shè)置一個測站（共設(shè)置5個測站），對沿空留巷100m范圍內(nèi)的圍巖相對移近量進(jìn)行觀測，結(jié)果表明：沿空留巷頂?shù)装逑鄬σ平孔畲笾禐?02.36mm，兩幫相對移近量最大值為84.24mm，沿空留巷圍巖變形控制效果顯著，符合下行工作面安全復(fù)用要求。

6結(jié)語

文章分析了沿空留巷圍巖活動規(guī)律及受力情況，基于巷旁充填體作用機(jī)理提出了高水速凝材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)，并給出了具體充填設(shè)備和工藝流程;

結(jié)合2304軌道順槽實(shí)際工程地質(zhì)條件和支護(hù)情況，提出分超前支護(hù)、充填點(diǎn)臨時支護(hù)和工作面后加強(qiáng)支護(hù)三階段對沿空留巷圍巖進(jìn)行巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)，并給出了具體支護(hù)方案。

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