新元礦矸石充填工作面沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用

喬 越

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

近年來，以矸石固體、超高水和膏體材料為代表的的綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)在我國中西部煤炭得到了廣泛的應(yīng)用，解放了大量的呆滯煤炭資源，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。與傳統(tǒng)的垮落法采煤不同，充填法開采中采空區(qū)的充填體限制了上覆巖層的移動，改變了長壁綜采工作面的頂板運(yùn)移規(guī)律，礦壓顯現(xiàn)平緩，為實(shí)施沿空留巷技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。為此，進(jìn)行充填工作面的沿空留巷研究，對資源枯竭礦井進(jìn)一步提高煤炭資源的回收率，延長礦井服務(wù)年限具有重要意義[4-6]。

1 工程概況

為加快掘進(jìn)速度，新元礦采用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)9號煤回風(fēng)大巷，該巷道為巖巷，月進(jìn)尺450 m，矸石產(chǎn)量為1.5萬t。為減少排矸費(fèi)用，在3211工作面采用綜合機(jī)械化矸石固體充填的方式處理矸石。工作面開采3號煤層，煤厚1.8 m左右，平均傾角為5°，工作面頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 3號煤頂?shù)装鍘r性

3211工作面傾斜長度為205 m，走向長300 m，埋深約500 m。在綜采矸石充填的基礎(chǔ)上將運(yùn)輸巷保留下來，作為下一個工作面回風(fēng)巷使用。3211運(yùn)輸巷的斷面為矩形，規(guī)格為5.0 m×3.5 m（寬×高）。

2 巷旁充填體寬度的確定

2.1 充填面巷旁支護(hù)體受力分析

垮落法沿空留巷時(shí)，在采空區(qū)側(cè)充填一個條帶，該隔離采空區(qū)的同時(shí)需要切頂，因此強(qiáng)度一般較高。但對于充填工作面，由于充填體的存在，采空區(qū)頂板不垮落，無垮落帶，僅出現(xiàn)一定程度的彎曲下沉。隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)充填體與頂板接觸，并承擔(dān)了大部分的頂板壓力，充填體承擔(dān)的力相對較小。3211綜采充填工作面的液壓支架后方裝有推壓密實(shí)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)矸石的接頂充填。而推壓密實(shí)過程中以及推壓結(jié)束后，采空區(qū)矸石對巷旁充填體的側(cè)向作用力是造成充填體失穩(wěn)的主要因素。

2.2 理論計(jì)算

對于綜合機(jī)械化矸石固體充填工作面，巷旁充填體的穩(wěn)定性主要受采空區(qū)側(cè)向支撐力的影響，為此，建立力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 巷旁支護(hù)體力學(xué)模型

該模型可近似簡化為力F作用在一個半無限大物體上，根據(jù)彈塑性理論中半空間體在邊界上集中力的解析解，可以求出綜采充填支架推壓密實(shí)機(jī)構(gòu)的推力F對巷旁支護(hù)體的作用力，在該作用力下，巷旁支護(hù)體應(yīng)當(dāng)能保持穩(wěn)定。

研究表明，推力F產(chǎn)生的側(cè)壓力主要作用范圍為1.0 m內(nèi)的巷旁充填體，因此，對圖中陰影部分進(jìn)行分析，巷旁支護(hù)體所受的側(cè)壓力F'的大小為：

式中：h為巷旁充填體高度；σx為充填體在x方向的受力。

巷旁充填體和底板之間的靜摩擦力用如下公式計(jì)算：

式中：d為巷旁充填體寬度；L為巷旁充填體長度；Ρ為巷旁支護(hù)材料的密度；γ為充填體與底板之間的靜摩擦系數(shù)。

充填體保證穩(wěn)定的條件為靜摩擦力f不小于充填支架推壓密實(shí)機(jī)構(gòu)的側(cè)向推力F'，F(xiàn)'≤f

根據(jù)新元礦3211工作面的地質(zhì)生產(chǎn)條件，代入可以，巷旁支護(hù)體的寬度不應(yīng)小于2.5 m。

2.3 數(shù)值模擬

根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果，采用U DEC數(shù)值模擬軟件對1、2、3、4、5 m不同充填體寬度下巷道圍巖的變形情況進(jìn)行模擬。

模型尺寸為200 m×50 m（寬×高），模型兩側(cè)水平位移及底部垂直位移設(shè)置為固定，充填體為Mohr-Coulomb模型，用V O R O N O I命令模擬矸石內(nèi)部的節(jié)理及裂隙。不同寬度下的圍巖變形見圖3。

圖3 不同充填體寬度下的巷道變形量

由模擬結(jié)果可以看出，充填體側(cè)向變形量與充填體寬度成近似反比例關(guān)系，隨著寬度的增加，側(cè)向變形變小，寬度由1 m增加到5 m時(shí)，側(cè)向變形量的降幅達(dá)56%。巷道頂板下沉和底臌受寬度的影響程度相對較小，1 m和5m寬度下的頂板下沉量和底臌量的降幅分別為28%、34%。但寬度越大，施工難度越大。當(dāng)充填體寬度為5 m時(shí)，充填體煤層需要堆積編織袋10個，在采空區(qū)側(cè)施工具有一定的危險(xiǎn)性。結(jié)合理論計(jì)算的結(jié)果，充填體的寬度確定為3.0 m。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 原巷道支護(hù)方案

3211工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)時(shí)采用的是錨網(wǎng)索支護(hù)方案，頂錨桿為φ20 mm×2 400 mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×900 mm，頂錨索規(guī)格為φ17.8 mm×7 300 mm，間排距為2 700 mm×1 800 mm。巷道兩幫采用φ20 mm×2 000 mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×900 mm。

3.2 留巷支護(hù)設(shè)計(jì)

在工程類比的基礎(chǔ)上，結(jié)合新元礦的實(shí)際條件，確定3211充填工作面沿空留巷的支護(hù)方案見圖4。

圖4 3211充填工作面留巷支護(hù)方案

1）巷道頂板加強(qiáng)支護(hù)。在原支護(hù)基礎(chǔ)上，在頂板沿中線補(bǔ)打一排錨索，規(guī)格為φ17.8 mm×7 300 mm，排距為1 800 mm，與原錨索形成“五花”布置。

2）矸石充填袋支護(hù)。巷旁充填體沿采空區(qū)邊緣壘砌，寬度為3.5 m，高度與原巷道頂板齊平。在矸石充填袋中加設(shè)雙頭均有螺紋的錨桿，間排距為900 mm×900 mm。為增加穩(wěn)定性，豎向的3根錨桿用W鋼帶相連，橫向之間采用鋼筋梯子梁相連。同時(shí)在雙頭錨桿排之間補(bǔ)打一排單體柱，柱距為900mm。

3.3 留巷工藝流程

工作面回采過后，需要先對原頂板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，其留巷的具體工藝流程為：

1）加強(qiáng)支護(hù)。超前工作面前方30 m，補(bǔ)打錨索對巷道頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

2）超前支護(hù)。在工作面前方20 m超前支承壓力影響范圍內(nèi)，采用單體柱支護(hù)。

3）臨時(shí)支護(hù)。工作面割煤移架后，采用2排單體柱抬棚對裸露頂板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，抬棚規(guī)格為200 mm×3 000 mm的方木。

4）矸石充填袋支護(hù)。將加工好的充填袋裝矸后堆壘到設(shè)計(jì)位置，同時(shí)埋設(shè)雙頭錨桿，在充填袋巷道側(cè)和采空區(qū)側(cè)鋪設(shè)金屬網(wǎng)，用鐵絲聯(lián)結(jié)。

5）預(yù)緊錨桿。鋪設(shè)好金屬網(wǎng)后，先豎向鋪設(shè)W鋼帶，然后橫向加裝梯子梁，最后對錨桿進(jìn)行預(yù)緊。

3.4 應(yīng)用效果

3211工作面開始回采后，在巷道內(nèi)設(shè)置測點(diǎn)，對表面位移進(jìn)行觀測。其中，3號測點(diǎn)的觀測結(jié)果見圖5。測點(diǎn)位于工作面前方40 m，距離工作面20 m左右巷道頂?shù)装彘_始出現(xiàn)變形，到工作面后方50 m左右變形基本穩(wěn)定，為典型的留巷全過程曲線。

圖5 3號測站巷道表面位移觀測結(jié)果

由觀測結(jié)果可以看出，3211工作面運(yùn)輸巷沿空留巷的巷道變形經(jīng)歷了5個階段：

1）巷道穩(wěn)定階段。工作面前方20 m之外，巷道不受工作面回采的影響。

2）初始變形階段。當(dāng)工作面推進(jìn)至測點(diǎn)后方20 m時(shí)，受超前支承壓力的影響，巷道頂板開始下沉，底板開始鼓起，變形速度相對較慢，分別約為4 mm/d、8 mm/d。到工作面回采至測點(diǎn)時(shí)，下沉量為35 mm，底臌量為65 mm。

3）加速變形階段。工作面回采過后，巷道出現(xiàn)劇烈變形，頂板最大下沉速度為22 mm/d，最大底臌速度為30 mm/d。但持續(xù)時(shí)間相對較短，工作面后方25 m左右變形速度開始穩(wěn)定。

4）穩(wěn)定變形階段。工作面推采5 d后，即工作面后方25 m，巷道變形速度開始下降，并逐漸趨于穩(wěn)定。到工作面后方40 m變形速度幾乎為0。

5）重新穩(wěn)定階段。工作面后方40 m巷道變形穩(wěn)定，最終頂板下沉量為260 mm，底臌量為460 mm。

與垮落法留巷相比，充填工作面沿空留巷的巷道變形速度相對較慢，劇烈變形持續(xù)時(shí)間較短，工作面推采過后很快達(dá)到穩(wěn)定，最終的巷道變形量小。

4 結(jié)論

1）與傳統(tǒng)的垮落法采煤不同，充填法開采中采空區(qū)的充填體限制了上覆巖層的移動，改變了長壁綜采工作面的頂板運(yùn)移規(guī)律，礦壓顯現(xiàn)平緩，有利于實(shí)施沿空留巷技術(shù)。

2）充填體側(cè)向變形量與充填體寬度成近似反比例關(guān)系，但巷道頂板下沉和底臌受寬度的影響程度相對較小，結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果，確定充填體的寬度為3.0 m。

3）3211綜采矸石充填工作面沿空留巷表明，與垮落法工作面留巷相比，充填工作面留巷的巷道變形速度小、持續(xù)時(shí)間段，巷道變形量小，對資源枯竭礦井進(jìn)一步提高煤炭資源的回收率具有重要意義。