2013 薄煤層工作面沿空留巷實(shí)踐應(yīng)用

李 軍

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)古縣東瑞煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042405）

1 工程概況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)古縣東瑞煤業(yè)公司井田面積4.871 3 km2，批準(zhǔn)開采煤層為2#～9#，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60 萬t/a。2013 工作面位于二采區(qū)，開采2#煤層，煤層厚度為1.12～2.95 m，煤層平均厚度為1.4 m，為薄煤層工作面。工作面巷道施工進(jìn)度較慢，采掘接替比較緊張。為改善采掘接替緊張狀況，針對(duì)2013 工作面現(xiàn)場實(shí)際條件，進(jìn)行了薄煤層工作面高水速凝材料沿空留巷技術(shù)研究[1-5]。

2 充填支護(hù)墻體寬度和水灰比確定

基于2013 工作面軌道順槽的地質(zhì)工況，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)沿空留巷充填體參數(shù)、沿空留巷圍巖應(yīng)力分布特性、塑性變化情況進(jìn)行研究，確定充填支護(hù)墻體寬度和高水速凝材料水灰比。

模擬煤層厚度設(shè)置為1.4 m，計(jì)算模型尺寸：長×寬×高=150.55 m×72 m×39.52 m，工作面巷道尺寸：寬×高=3.4 m×2.4 m。

2.1 充填支護(hù)墻體寬度確定

在不同寬度（0.9 m、1.2 m、1.5 m、1.7 m）充填支護(hù)墻體條件下，對(duì)巷道受采動(dòng)影響時(shí)圍巖應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，充填支護(hù)墻體寬0.9 m時(shí)，頂板應(yīng)力較大，在頂板中部產(chǎn)生破壞應(yīng)力和拉應(yīng)力，最大應(yīng)力不大于原巖應(yīng)力；充填支護(hù)墻體寬度為1.2 m、1.5 m、1.7 m 時(shí)，頂板整體性較好，充填支護(hù)墻體較好，應(yīng)力分布較為均勻。

在不同寬度（0.9 m、1.2 m、1.5 m、1.7 m）充填支護(hù)墻體條件下，對(duì)巷道受采動(dòng)影響時(shí)巷內(nèi)塑性區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。充填支護(hù)墻體寬0.9 m 時(shí)，巷道圍巖變形較大，產(chǎn)生有拉應(yīng)力破壞和剪切性破壞，上覆巖層旋轉(zhuǎn)彎曲下沉明顯，塑性區(qū)較大；充填支護(hù)墻體寬度為1.2 m 時(shí)，巷道圍巖變形量明顯變小，頂板下沉量較小，巷內(nèi)頂板、實(shí)體煤幫、巷道整體的塑性區(qū)范圍明顯減??；充填支護(hù)墻體寬為1.5 m時(shí)，對(duì)比支護(hù)墻體寬度為0.9 m 時(shí)巷道圍巖變形量及塑性區(qū)明顯減小，對(duì)比支護(hù)墻體寬度為1.2 m 時(shí)巷道圍巖變形量及塑性區(qū)變化不明顯；充填支護(hù)墻體寬度為1.7 m 時(shí)，巷道圍巖變形量進(jìn)一步減小，塑性區(qū)進(jìn)一步減少，圍巖破壞以擠壓剪切為主，巷內(nèi)支護(hù)非常穩(wěn)定。

綜上，充填體1.2 m、1.5 m、1.7 m 時(shí)，巷道圍巖變形量較小，塑性范圍較小。綜合留巷成本和企業(yè)經(jīng)濟(jì)因素，確定2013 工作面巷旁留巷充填支護(hù)墻體寬度為1.2 m。

2.2 高水速凝材料水灰比確定

確定模擬充填支護(hù)墻體寬度在1.2 m 時(shí)，留巷寬度為3.4 m 時(shí)，高水速凝材料在不同水灰比（1.0:1、1.5:1、2.0:1、2.5:1）條件下沿空留巷圍巖應(yīng)力分布和沿空留巷變形量變化規(guī)律。

從模擬結(jié)果可知，當(dāng)水灰比從1.0:1 增大到2.5:1的過程中，充填支護(hù)墻體最大應(yīng)力從17.36 MPa 減小到2.60 MPa，實(shí)幫煤體最大應(yīng)力從16.29 MPa 增大到17.81 MPa；水灰比為2.0:1 和2.5:1 時(shí)，充填支護(hù)墻體未出現(xiàn)穩(wěn)定承載應(yīng)力核，為完全塑性承載狀態(tài)，充填支護(hù)墻體穩(wěn)定性差；水灰比為1.0:1 和1.5:1 時(shí)，充填支護(hù)墻體出現(xiàn)承載最強(qiáng)應(yīng)力區(qū)，充填支護(hù)墻體承載能力較強(qiáng)，圍巖巷道較穩(wěn)定。

從模擬結(jié)果可知，當(dāng)水灰比從1.0:1 增大到2.5:1的過程中，巷道頂板下沉量從125.78 mm 增大到241.22 mm，墻體幫最大移近量從135.64 mm 增大到282.24 mm，實(shí)煤體幫最大移近量從3.84 mm 增大到13.74 mm。從整體上來看，沿空留巷圍巖變形量呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。

綜上，確定充填支護(hù)墻體合理的水灰比為1.5:1，此時(shí)能較好地保障巷道圍巖的變形，保障煤礦開采的安全性。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 巷內(nèi)增強(qiáng)支護(hù)

2013 工作面沿空留巷加強(qiáng)支護(hù)如圖1。

圖1 巷內(nèi)增強(qiáng)支護(hù)布置示意圖（mm）

巷道頂板采用Ф17.8 mm×6200 mm 錨索，每排布置2 根，錨索間距1600 mm，排距1200 mm，采用一支CK2340 型錨固劑和兩支Z2355 型錨固劑進(jìn)行錨固，安裝預(yù)緊應(yīng)力不低于195 kN，錨索托盤為300 mm×300 mm×16 mm 的方形鋼板，中部孔徑為23 mm；實(shí)體煤幫采用Ф20 mm×L2200 mm螺紋鋼錨桿加固。

3.2 留巷段輔助加強(qiáng)支護(hù)

針對(duì)留巷巷道現(xiàn)場狀況，設(shè)計(jì)了留巷段輔助加強(qiáng)支護(hù)方案，如圖2。工作面前方30～35 m 位置處設(shè)置傾向架棚，主要由一字鉸接頂梁和單體液壓支柱組成，每排4 根，間距800 mm，排距1000 mm；工作面后方110～130 m 位置內(nèi)設(shè)置傾向架棚，由一字鉸接頂梁和單體液壓支柱組成，每排3 根，間距1000 mm，排距1000 mm；在充填體靠近采空區(qū)一側(cè)采用擋矸支架加強(qiáng)支護(hù)。

圖2 留巷段輔助加強(qiáng)支護(hù)示意圖（mm）

3.3 充填支護(hù)墻體

充填支護(hù)墻體及加固方案如圖3。充填體內(nèi)布置對(duì)拉錨桿，間排距為900 mm×900 mm，Ф14 mm 圓鋼焊制的鋼筋梯子梁，鋼筋網(wǎng)為Ф6.5 mm 鋼筋加工，12#鐵絲雙股聯(lián)網(wǎng)。

圖3 充填支護(hù)墻體成型技術(shù)及加固方案圖（mm）

3.4 效果分析

2013 工作面沿空留巷圍巖變形情況，如圖4。在工作面后方10～80 m，充填體側(cè)頂?shù)装?、巷道中部頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃嗡俣容^快，變形量較大；在工作面后方80～120 m，充填體側(cè)頂?shù)装?、巷道中部頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃嗡俣容^緩，變形量較大；在工作面后方120～170 m，充填體側(cè)頂?shù)装濉⑾锏乐胁宽數(shù)装搴蛢蓭偷淖冃嗡俣容^小，變形量趨于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)充填體側(cè)頂?shù)装濉⑾锏乐胁宽數(shù)装搴蛢蓭偷淖畲笠平糠謩e為348 mm、283 mm、167 mm。從以上數(shù)據(jù)分析可知，沿空留巷圍巖整體最大移近量較小，圍巖變形量小，圍巖變形控制效果較好。

4 結(jié)語

東瑞煤業(yè)2013 薄煤層工作面利用FLAC3D模擬軟件確定了充填支護(hù)墻體合理寬度為1.2 m，高水速凝材料合理的水灰比為1.5:1。從巷內(nèi)增強(qiáng)支護(hù)、留巷段輔助加強(qiáng)支護(hù)、充填支護(hù)墻體成型技術(shù)等確定了沿空留巷支護(hù)方案。工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明：沿空留巷圍巖整體最大移近量較小，圍巖變形量小，圍巖變形控制效果較好，支護(hù)技術(shù)滿足巷道圍巖維護(hù)要求，改善煤礦采掘接替關(guān)系，經(jīng)濟(jì)效益顯著。