大埋深綜采工作面高水充填沿空留巷技術(shù)研究

牛清海

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司 梧桐莊礦，河北 邯鄲 056011）

沿空留巷技術(shù)是常用的無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)之一，在提高煤炭回收效率、緩解采掘銜接緊張和改善工作面通風(fēng)系統(tǒng)等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)[1-3]。康紅普在沿空留巷方面構(gòu)建了力學(xué)模型及圍巖與支護(hù)作用關(guān)系；分析沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)特征、圍巖變形的主要影響因素及沿空掘巷圍巖控制技術(shù)[4]。沿空留巷中巷旁充填結(jié)構(gòu)一直是研究的重點(diǎn)，其先后經(jīng)歷了木垛、單體液壓支柱、混凝土、鋼管混凝土等階段，與其他巷幫充填相比，高水充填材料具有凝固時(shí)間短、早期強(qiáng)度高、縱向變形能力大等優(yōu)點(diǎn)，近年被廣泛應(yīng)用[5-8]。李波和孟曉強(qiáng)均對(duì)高水充填沿空留巷進(jìn)行研究，分別重點(diǎn)分析了充填材料抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系及高水充填體寬度對(duì)沿空留巷效果進(jìn)行驗(yàn)證[9-10]。本文以梧桐莊礦182605下工作面為背景，182605 地區(qū)是2022—2023 年梧桐莊礦主采地區(qū)，經(jīng)多次優(yōu)化分為182605下、182605 兩個(gè)工作面依次回采，為保證工作面之間順利銜接，決定在182605下與182605 工作面之間實(shí)施高水充填沿空留巷。沿空留巷主要方式為加強(qiáng)支護(hù)+超前切頂卸壓+高水充填聯(lián)合支護(hù)。

1 概 況

此次設(shè)計(jì)中，需要沿空留巷的巷道為182605下工作面運(yùn)料巷，該段巷道埋深超過800 m，屬于大埋深煤層，該工作面沿2 號(hào)煤層走向布置，沿空留巷工程量長(zhǎng)度為640 m。

沿空留巷位置如圖1 所示。

182605下工作面2 號(hào)煤煤層厚度3.0～3.9 m，平均厚度3.3 m。直接頂為粉砂巖，厚度5.71 m，深灰色，含較多的黃鐵礦及苛達(dá)特植物化石。老頂為中粒砂巖，厚度3.3 m，灰色，斜層理及微波狀水平層理發(fā)育間夾合鐵砂石。直接底底板為粉砂巖，厚度2.4 m，灰黑色，性脆，致密。老底為細(xì)粒砂巖，厚度8.9 m，深灰色，以石英為主，含少量白云母及黑色礦物，泥質(zhì)膠結(jié)，具微波狀層理。

2 超前加固和切頂卸壓爆破設(shè)計(jì)

2.1 巷道超前加固設(shè)計(jì)

切頂卸壓前，對(duì)182605下運(yùn)料巷頂板進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)，打設(shè)加強(qiáng)錨索配合3 m 長(zhǎng)16 號(hào)槽鋼對(duì)頂板進(jìn)行加固支護(hù)，加強(qiáng)錨索選用φ21.8 mm，L11 000 mm 鋼絞線。

垂直巷道方向與原錨索支護(hù)交替布置，排距為1 m；順巷道方向布置2 趟錨索槽鋼，一趟布置在距采空區(qū)側(cè)1.2 m 位置，另一趟布置在距上幫0.5 m 位置，槽鋼梁頭密切對(duì)接。

通過巷道超前加固加強(qiáng)錨索，使錨索錨固到穩(wěn)定的巖層中，利用加強(qiáng)錨索拉住上覆巖層基本頂，對(duì)巷道頂板加強(qiáng)支護(hù)以保證隨后預(yù)裂頂板、切頂時(shí)不影響自動(dòng)形成的巷道質(zhì)量。

2.2 巷道切頂卸壓爆破設(shè)計(jì)

采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，超前工作面50 m 爆破切頂。

（1） 根據(jù)以往切頂卸壓沿空留巷經(jīng)驗(yàn)，合理預(yù)裂切縫深度（H縫） 設(shè)計(jì)一般大于2.6 倍采高。

即：

式中：H煤取3.3 m。則H縫≥8.6 m。

（2） 根據(jù)采高、頂板下沉量及底鼓量計(jì)算。

式中：ΔH1為頂板下沉量，取0.025 m；ΔH2為底臌量，取0.025 m；k 為碎脹系數(shù)，1.2 ~ 1.5，取1.25；H煤取3.3 m。則H縫=13 m。

綜合考慮上述計(jì)算結(jié)果，預(yù)裂切縫孔深度設(shè)計(jì)為H縫=13 m。

炮孔距離幫100 mm，與鉛垂線夾角為15°，切縫孔間距為600 mm。雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm，管長(zhǎng)1 500 mm。聚能爆破采用三級(jí)煤礦乳化炸藥，炸藥規(guī)格為φ32 mm×300 mm/卷，爆破孔口采用炮泥封孔。聚能管安裝于爆破孔內(nèi)，每孔6 根聚能管，采用3+2+2+2+2+2 的裝藥方式。切縫眼爆破效果如圖2 所示。

圖2 切縫眼爆破效果Fig.2 The blasting effect of slit holes

利用切縫鉆機(jī)施工，對(duì)巷道頂板進(jìn)行切頂爆破，切頂高度范圍超過基本頂，并對(duì)頂板提前進(jìn)行能量釋放，在頂板形成裂縫；利用工作面頂板來壓實(shí)現(xiàn)沿空切頂，保證巷道頂板切落下來，切落的頂板形成巷幫。

3 高水材料充填設(shè)計(jì)

與其他的巷旁充填技術(shù)相比，高水材料充填體具有凝固時(shí)間短、早期強(qiáng)度高、增阻速度快、縱向變形能力大等優(yōu)點(diǎn)，能緊隨工作面的回采進(jìn)度及時(shí)形成充填體并支護(hù)頂板，與巷道原支護(hù)共同作用，控制巷道的圍巖變形，確保巷道圍巖的穩(wěn)定性，所以確定高水充填體強(qiáng)度至關(guān)重要。

高水材料充填體強(qiáng)度、凝固速度與水灰比有直接關(guān)系，通過沿空留巷巷幫力學(xué)模型，進(jìn)行理論計(jì)算得到高水材料充填體強(qiáng)度；利用試件力學(xué)性能測(cè)試分析，綜合考慮得到高水材料充填體水灰比。

3.1 巷旁支護(hù)阻力的理論計(jì)算

沿空留巷巷旁充填支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力決定著沿空留巷的效果。本文建立圖3 的理論模型[11-12]，假設(shè)182605下運(yùn)料巷高水充填沿空留巷需要的最小巷旁阻力為Pq。

圖3 沿空留巷力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model of gob-side entry retaining

式中： Pq為沿空留巷巷旁支護(hù)體切斷弧形三角塊時(shí)的工作阻力，N；ML為采空區(qū)側(cè)上覆基本頂巖層發(fā)生斷裂前的最大彎矩，N·m；πc為采空區(qū)側(cè)受到的剪切力，N；q 為單位長(zhǎng)度上覆巖層自重力對(duì)直接頂?shù)淖饔?，N/m；α 為工作面煤層傾角，（°）；L 為BC 巖塊長(zhǎng)度，m；Xo為應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度，m；C 為沿空留巷實(shí)際寬度，m；d 為設(shè)計(jì)支護(hù)體寬度，m；qo為單位長(zhǎng)度的直接頂自身質(zhì)量，kg/m；qy為沿空留巷下側(cè)煤體支撐壓力，N/m；x為直接頂斷裂位置距實(shí)體煤幫的距離，m；Fc為沿巖層方向的推力，N；h 為工作面與基本頂之間的距離，m；ΔSB為上覆基本頂巖層第二次斷裂時(shí)，B 端的下沉量，m；Mo為基本頂三角塊結(jié)構(gòu)斷裂后的殘余彎矩，N·m。

結(jié)合182605下工作面運(yùn)料巷實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件和煤巖體力學(xué)參數(shù)，采用上述計(jì)算公式，得到所需的最小巷旁支護(hù)阻力為7.2 MN/m。

3.2 力學(xué)性能測(cè)試分析

為了保證182605下工作面沿空留巷最小巷旁支護(hù)阻力不小于7.2 MN/m。從滿足高水材料沿空留巷強(qiáng)度為8 MPa、現(xiàn)場(chǎng)操作和材料成本等綜合方面考慮，需要通過試件力學(xué)性能測(cè)試，得到最佳的高水材料水灰比。

準(zhǔn)備5 組測(cè)試試件，每組為3 個(gè)試件，水灰比例分別為1.5∶1、1.8∶1、2.0∶1、2.2∶1、2.5∶1；上述5 組測(cè)試試件凝固時(shí)間均為7 d。

3.2.1 試件準(zhǔn)備及測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試前對(duì)試件受壓接觸面進(jìn)行加工，保證接觸面平整度小于0.02 mm。原始高水材料試件水灰比1.8∶1。

測(cè)試內(nèi)容為不同水灰比試件的單軸抗壓強(qiáng)度及試件宏觀破壞特征。

3.2.2 測(cè)試設(shè)備及方法

試驗(yàn)設(shè)備由巖石剛性試驗(yàn)機(jī)和聲發(fā)射設(shè)備組成。加載設(shè)備采用KYAG-600 型微機(jī)控制巖石剛性試驗(yàn)機(jī)。單軸壓縮試驗(yàn)采用位移控制，加載速率為0.005 mm/s。

3.2.3 測(cè)試結(jié)果分析

基本參數(shù)測(cè)定結(jié)果，如圖4 所示。

圖4 單軸抗壓強(qiáng)度與水灰比關(guān)系Fig.4 The relationship between uniaxial compressive strength and water-cement ratio

根據(jù)5 組測(cè)試試件單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)值，可知高水材料的抗壓強(qiáng)度與水灰比有直接關(guān)系，二者之間表現(xiàn)為反比關(guān)系，即當(dāng)高水材料水灰比比值越大時(shí)，對(duì)應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度就會(huì)減小。利用二者之間的關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，通過調(diào)整水灰比來改變抗壓強(qiáng)度，從而滿足梧桐莊礦182605下工作面地質(zhì)條件下對(duì)沿空留巷巷旁支護(hù)強(qiáng)度的要求。綜上所述，為了滿足182605下工作面沿空留巷對(duì)巷旁充填體的抗壓強(qiáng)度要求（8 MPa），同時(shí)考慮到水灰比過大導(dǎo)致輸漿管路發(fā)生堵塞和經(jīng)濟(jì)效益，確定高水速凝材料的水灰比為1.8∶1。試件受壓破壞特征如圖5所示。

圖5 試件受壓破壞特征Fig.5 Failure characteristics of specimen under compression tests

4 工程實(shí)踐

通過建立力學(xué)模型理論計(jì)算和力學(xué)性能測(cè)試，分別得出高水材料充填體需要達(dá)到強(qiáng)度為8 MPa，水灰比為1.8∶1，能夠保證該沿空留巷具有足夠的強(qiáng)度。

為提高沿空留巷的效果，在構(gòu)筑高水材料巷旁充填時(shí)，采用圖6 的輔助加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)措施。超前工作面不小于50 m 打設(shè)4 排液壓點(diǎn)柱配合短梁和十字梁做為超前支護(hù)。

圖6 沿空留巷示意Fig.6 Schematic diagram of retaining roadway along goaf

為進(jìn)一步驗(yàn)證高水材料沿空留巷效果，對(duì)留巷巷道進(jìn)行圍巖變化觀測(cè)，每間隔10 m 建立1 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，每3 d 觀測(cè)1 次，利用十字觀測(cè)法，主要觀測(cè)內(nèi)容為頂?shù)装逡平?、兩巷收斂量；取距工作面初采位置分別為0、20、40 m 三個(gè)位置，當(dāng)工作面回采220 m 時(shí)，3 個(gè)位置圍巖變化情況如圖7～圖9 所示。

圖7 距初采0 位置巷道變形量Fig.7 Roadway deformation at 0 meters from initial mining

圖8 距初采20 m 位置巷道變形量Fig.8 Roadway deformation at 20 meters from initial mining

圖9 距初采40 m 位置巷道變形量Fig.9 Roadway deformation at 40 meters from initial mining

當(dāng)工作面回采40 m 時(shí)，伴隨工作面的回采推進(jìn)，累計(jì)變形量先增大后保持穩(wěn)定，由此將沿空巷道的圍巖變形劃分成緩慢變形區(qū)、顯著變形區(qū)和變形穩(wěn)定區(qū)。

緩慢變形區(qū)為工作面后方0~40 m，由于煤層被采出，沿空巷道頂板巖層發(fā)生旋轉(zhuǎn)變形、下沉斷裂，但由于前期超前加固和切頂預(yù)裂爆破作用，此段表現(xiàn)出頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛烤徛兓渲许數(shù)装逡平繛?00～120 mm、兩幫收斂量為40～50 mm；表明了182605下工作面周期來壓步距為30～40 m。

顯著變形區(qū)為工作面后方40～120 m，由于頂板來壓、頂板斷裂加劇、點(diǎn)柱和充填體存在一定的壓縮變形，導(dǎo)致圍巖變形較為劇烈，此段表現(xiàn)出頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛匡@著變化，其中頂?shù)装逡平繛?00～320 mm、兩幫收斂量為200 ～220 mm。

變形穩(wěn)定區(qū)為工作面后方120 m 之外，沿空巷道基本頂已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定，上位巖層的彎曲斷裂對(duì)沿空巷道圍巖的影響逐漸減弱，圍巖變形速度放緩，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此段表現(xiàn)出頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛匡@著變化，其中頂?shù)装逡平繛?30～350 mm、兩幫收斂量為260～280 mm。

182605下工作面高水材料沿空留巷的成功實(shí)踐，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

實(shí)踐證明，高水材料充填墻體強(qiáng)度滿足需要，留巷的頂板、巷幫均變形較小，達(dá)到工作面沿空留巷的目的。

5 結(jié) 論

（1） 利用加強(qiáng)錨索對(duì)沿空留巷巷道提前進(jìn)行超前加固，對(duì)巷道頂板加強(qiáng)支護(hù)，保證巷道頂板的整體性和穩(wěn)定性。打設(shè)切縫眼對(duì)沿空留巷提前進(jìn)行切頂爆破卸壓，聚能爆破裝置超前預(yù)裂頂板，提前釋放頂板能量，在頂板形成裂縫，利用工作面周期來壓實(shí)現(xiàn)沿空切頂。

（2） 利用沿空留巷巷幫力學(xué)模型，結(jié)合182605下工作面沿空留巷實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件和煤巖體力學(xué)參數(shù)對(duì)巷幫強(qiáng)度進(jìn)行理論計(jì)算，可得巷幫最小工作阻力為7.2 MN/m 時(shí)，可滿足沿空留巷需求。

（3） 利用試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，可得高水材料的單軸抗壓強(qiáng)度與水灰比之間表現(xiàn)為反比關(guān)系，即當(dāng)高水材料水灰比比值越大時(shí)，對(duì)應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度就會(huì)減小；為滿足高水材料充填體強(qiáng)度為8 MPa、注漿管路不堵塞易操作和經(jīng)濟(jì)效益等綜合考慮，得出最佳高水材料水灰比為1.8∶1。

（4） 在182605下工作面運(yùn)料巷進(jìn)行沿空留巷工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。