臨汾宏大煤礦矸石充填開采沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

高 翔

（同煤集團(tuán)臨汾宏大礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041600）

1 概況

臨汾宏大煤礦主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，8302 工作面煤層埋深約230 m，厚度3.1～3.9 m 不等，工作面存在斷層，回采巷道圍巖穩(wěn)定性較差，冒頂和垮塌事故風(fēng)險(xiǎn)較大。目前8302 工作面采用選充一體化工藝，該工藝實(shí)施的關(guān)鍵是保證沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性，研究填充開采沿空留巷工作面頂?shù)装暹\(yùn)移規(guī)律[1-6]，探究巷道大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定機(jī)理[7-10]，是巷道圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)的基礎(chǔ)。

2 矸石充填開采沿空留巷圍巖變形規(guī)律

對(duì)8302 工作面的深部煤層采空區(qū)進(jìn)行不同充實(shí)率下頂?shù)装逦灰票O(jiān)測，探究矸石充填開采沿空留巷圍巖的變形規(guī)律。充實(shí)率填充分別為50%、60%、70%、80%和90%，根據(jù)位移監(jiān)測結(jié)果繪制位移曲線圖1，其中左圖為頂板位移曲線，右圖為底板位移曲線，橫坐標(biāo)代表的是沿著掘進(jìn)推進(jìn)方向的距離。

從圖1 可以看出，充實(shí)率填充為50%時(shí)直接頂板的最大位移量為1200～1250 mm 之間，直接底板的最大位移量為65～75 mm 之間；充實(shí)率填充為60%時(shí)直接頂板的最大位移量為1000～1050 mm 之間，直接底板的最大位移量為65～75 mm 之間；充實(shí)率填充為70%時(shí)直接頂板的最大位移量為800～850 mm 之間，直接底板的最大位移量為65～75 mm 之間；充實(shí)率填充為80%時(shí)直接頂板的最大位移量為500～550 mm 之間，直接底板的最大位移量為55～60 mm 之間；充實(shí)率填充為90%時(shí)直接頂板的最大位移量為250 mm 左右，直接底板的最大位移量為45 mm 左右。沿著巷道開采方向進(jìn)行支護(hù)后，支護(hù)體的左右側(cè)頂板和底板的位移量基本相同。不同充實(shí)率情況下8302 工作面160 m 的前方和40 m的后方頂?shù)装宓奈灰屏慷疾淮?，?0～160 m 范圍內(nèi)隨著充實(shí)率的提升，巷道頂部煤層的位移量明顯減小，而巷道底部煤層的位移量本身不大，但也隨著充實(shí)率增加，位移量在減小。

圖1 不同充實(shí)率下沿空留巷圍巖頂?shù)装逦灰魄€圖

矸石充填開采沿空留巷，頂板巖層荷載由矸石填充體以及煤層巷道壁共同承擔(dān)，因此矸石填充體的填充狀態(tài)直接會(huì)影響到巷道頂板的形變量和形變趨勢。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，隨著填充密度的增加，頂板的下沉量會(huì)減小，基本頂回轉(zhuǎn)空間減小，巷道成型度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，沿空留巷工藝實(shí)施難度降低。

通過研究最終確定采用81.5%的充實(shí)率來實(shí)現(xiàn)8302 工作面選充一體化工藝，控制頂板和底板以及圍巖的變形，維持沿空留巷的穩(wěn)定。

3 沿空留巷圍巖控制技術(shù)方案

（1）巷內(nèi)基本支護(hù)方案

8302 充填工作面上平巷采用錨帶網(wǎng)+錨索的支護(hù)方案來進(jìn)行圍巖控制，具體方案為：利用六根直徑為20 mm、長度2.5 m 的左旋螺紋鋼式樹脂錨桿與鋼帶網(wǎng)的配合完成頂部支護(hù)，其中頂部非兩側(cè)的錨桿與頂面垂直，而頂部兩側(cè)的錨桿與頂面形成20°～30°夾角，以增加錨桿支護(hù)效果，頂部錨桿間距為860 mm；兩幫每側(cè)采用四根同樣規(guī)格的樹脂螺紋鋼錨桿與高分子復(fù)合網(wǎng)的配合完成支護(hù)，兩幫非底部的錨桿與幫面垂直，兩側(cè)底部的錨桿向巷道底板傾斜10°～30°夾角，截面兩幫錨桿間距800 mm；頂部錨索布置在巷道頂板鋼帶之間，向兩幫側(cè)傾斜20°～30°夾角。巷內(nèi)基本支護(hù)方案示意圖如圖2。

圖2 8302 充填工作面上平巷基本支護(hù)端面示意圖（mm）

（2）沿空留巷支護(hù)方案

在巷內(nèi)支護(hù)方案實(shí)施基礎(chǔ)上，根據(jù)矸石充填開采沿空留巷圍巖變形規(guī)律，8302 工作面留巷之后的支護(hù)采用機(jī)械式恒阻單體支柱擋板與夯實(shí)膠結(jié)體作為巷旁支護(hù)體進(jìn)行聯(lián)合留巷的方式進(jìn)行沿空留巷。具體方案為：在8302 工作面采煤拉架后，首先布置兩排單體支柱對(duì)留巷進(jìn)行穩(wěn)定性維持，并在巷道的采空區(qū)一側(cè)沿著8302 工作面朝向布置安裝擋矸板，完成支護(hù)基礎(chǔ)工藝，利用矸石對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填。充填留巷過程中，對(duì)充填矸石與膠結(jié)料水泥按照一定比例混合，將矸石膠合體利用多孔底卸式帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)匠涮钪Ъ芘c矸石填充區(qū)之間；然后通過夯實(shí)機(jī)對(duì)矸石膠合體進(jìn)行夯實(shí)處理，重點(diǎn)對(duì)矸石膠合體與巷道頂部的對(duì)接部分進(jìn)行充填，保證留巷與采空區(qū)對(duì)接位置區(qū)域的矸石膠合體充分接頂。8302 充填工作面沿空留巷支護(hù)方案示意圖如圖3。

圖3 8302 充填工作面沿空留巷支護(hù)方案示意圖

4 應(yīng)用效果

8302 充填工作面煤層厚度約為4 m，上平巷采用沿空留巷，開采方式采用選充一體化工藝，采空區(qū)采用矸石充填，充實(shí)率按照81.5%進(jìn)行，成型后的巷道高度為3.7 m，寬度為4.6 m，經(jīng)過巷道與采空區(qū)矸石填充區(qū)之間的矸石膠合體填充體寬度為2.5 m，檢測強(qiáng)度為3.2 MPa，支護(hù)穩(wěn)定性能夠保證。為了驗(yàn)證圍巖控制方案的實(shí)施效果，對(duì)圍巖控制工藝實(shí)施后的巷道變形進(jìn)行為期兩個(gè)月的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制圍巖變形量曲線圖，如圖4。

圖4 沿空留巷圍巖變形曲線圖

通過圖4 可以看出，沿空留巷的左幫和底板在兩個(gè)月內(nèi)最大變形量約在50 mm，右?guī)偷淖冃瘟肯鄬?duì)左幫大，最大變形量達(dá)到150 mm，頂板的變形量最大，達(dá)到250 mm 左右。所有圍巖的變形量在兩個(gè)月期間都趨于穩(wěn)定，且相較于研究矸石充填開采沿空留巷圍巖變形規(guī)律期間的圍巖變形量都有大幅度降低。由于巷道左幫側(cè)接近采空充填區(qū)，有矸石膠合體的加持，變形量較右?guī)蜁?huì)小。通過監(jiān)測曲線數(shù)據(jù)說明通過81.5%矸石采空區(qū)充實(shí)率和圍巖控制方案的實(shí)施，8302 工作面的選充一體化工藝形成的巷道穩(wěn)定性能夠滿足井下采煤施工，保證巷道安全。