沿空留巷充填墻體參數研究

張士鈺

(山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 古交 030206)

1 概 況

屯蘭礦是山西焦煤集團有限責任公司所屬的一座特大型國有重點煤礦，屬高瓦斯礦井。2009年，瓦斯等級鑒定結果：礦井絕對瓦斯涌出量為196.4m3/min，相對瓦斯涌出量為23.1m3/t。煤塵具有爆炸性，屬于自燃煤層，自然發火類型為Ⅱ類。

屯蘭礦綜采工作面布置為傳統的“一面三巷” 方式(皮帶順槽、軌道順槽、回風順槽)，工作面采用“U+L”通風系統。工作面巷道布置方式及通風系統，存在噸煤掘進率較高、上隅角至排瓦斯橫貫段瓦斯濃度難以控制及獨頭尾巷的問題；而且回風順槽與皮帶(軌道)順槽之間的護巷煤柱，導致礦井煤炭資源回收率低、容易自然發火等缺點。借鑒淮南礦業集團公司的成功經驗，結合屯蘭礦地質開采條件，研究應用沿空留巷“Y”型通風技術，對于消除上隅角至排瓦斯橫貫區域及尾巷瓦斯超限隱患、緩解礦井采掘銜接緊張局面、有效提高煤炭資源回收率、降低掘巷成本和實現礦井安全高效可持續發展有很重要意義。

2 沿空留巷、Y型通風工作面設計

沿空留巷工作面試驗工作面，確定為南二盤區下組8#煤18205工作面。工作面布置為兩巷加一借用巷道布置方式，巷道分別為18205皮帶順槽(復用18203回風順槽)、軌道順槽和借用18207軌道順槽(工作面回采時，18207軌道順槽、切眼作為18205工作面回風巷)，三巷平行布置，其中皮帶順槽為機軌合一巷道。

工作面兩順槽均為矩形斷面，均采用全錨支護方式支護頂板。皮帶順槽凈高3.5m，凈寬5m，用于進風、運煤及存放設備列車；軌道順槽為沿空留巷巷道，凈高3.5m，凈寬5.5m，軌道順槽用于進風及輔助運輸。

3 充填體受力分析

3.1 初次采動受力分析

初次來壓前，由于上覆巖層結構中有“梁”或“拱”式結構存在，因此整個采空區周圍的巖體可以視為一個結構系統[1]。這個系統的頂部是老頂巖層，周圍則是直接頂和煤柱。回采工作面就處于在這樣的結構系統保護之下。其周圍的應力分布，沿走向及傾斜方向分別如圖1所示。回采工作面煤壁上所承受的支承壓力，將隨著老頂跨度的加大而增加。當老頂達到極限跨距時，斷裂失穩，引起工作面頂板巖層來壓。

圖1 初次來壓前四周圍巖的支承壓力分布狀態

屯蘭礦老頂初次來壓時，在工作面后方沿傾斜方向的頂板壓力，分別被采空區處垮落矸石、充填體、單體液壓支柱和煤壁支撐。由此，我們可以由圖2所示的力學模型，表示老頂初次來壓時對工作面后方傾斜方向的影響。

圖2 老頂初次來壓力學模型

圖2中，h1為老頂厚度；h2為直接頂厚度；L1為抬棚支護的寬度；L2為充填體寬度；L3為老頂初次來壓時斷裂長度；Q1為直接頂巖層自重；Q2為老頂自重及上覆巖層對老頂的載荷；q1為抬棚支護對直接頂板的均布載荷；qx為充填體對直接頂板的均布載荷；q2為上覆巖層對老頂的均布載荷。

上述模型中：

(1)

(2)

根據屯蘭礦現有資料可得知：γ1=22 kN/m3；∑h2=5.78m；λ=3；γ2=25 kN/m3；∑h1=8.06m；L1=4.6m；L2=2.5m；L3=15m；q1=67.5 kN/m2；

所以，Q1=826.54 kN；Q2=9067.5 kN

根據老頂初次來壓時的力學模型，分別對老頂和直接頂進行受力分析。

首先，對老頂的力學分析，如圖3所示。

圖3 老頂受力分析圖

由圖3 Y方向力的平衡可知：

(3)

由O點的力矩平衡可得：

(4)

由式(3)、式(4)聯立可得：

F矸= 3279.7kN，q3= 890.43kN/m2

同理，對直接頂進行受力分析，如圖4所示。

圖4 直接頂受力分析圖

由Y方向的受力平衡可得：

(5)

由此可得qx= 2537kN/m2。

則可以得出滿足充填要求的充填體的最低強度為2.537 MPa。

3.2 二次采動影響分析

當開采下一個工作面時，充填體還受到超前支承壓力的影響。超前支承壓力的影響范圍，主要考慮工作面前方30m范圍內的充填體，如圖5所示。在此范圍內的充填體處于煤壁前方，頂板并沒有斷裂，故充填體要支撐整個上覆巖層。根據經驗，充填體受到頂板的壓力按原巖應力的2倍計算[2]。

圖5 二次采動影響區

故充填體需要的強度的下限為

(6)

此處λ取2，∑h=410m，γ=22kN/m3代入式(6)得，q=18.04MPa。

3.3 充填墻體及充填料的技術要求

(1)根據工作面具體條件，在采場頂板活動與礦山壓力顯現規律研究的基礎上，分析了沿空留巷充填體在首次采動和二次采動影響下的受力狀態，得出了沿空留巷充填體的合理參數：長×寬×高=2.4m×2.5m×3.5m=21m3。首次采動時，充填體的最低強度為2.54MPa；二次采動時，充填體的強度不低于18.04MPa。

(2)根據8#煤礦壓顯現規律得出充填體強度要求：4h的充填強度大于2MPa，1d的強度為7.3MPa，3d的強度為18.1MPa，7d的強度為21.6MPa，28d的強度為31.6MPa。

(3)下一工作面開采時，上一工作面采空區充填體的強度不應低于18.04MPa。

(4)沿空留巷充填材料選用膏體混凝土，其主要成份是：硅酸鹽水泥、碎石、砂子、粉煤灰、添加劑及水拌和的膏體混凝土,充填齡期指標要求(見表1)

(5)為使沿空留巷充填墻體能夠達到質量要求，確保每個充填墻體與頂底板充分接觸，充填支架及模板要保持靜止不動。另外，由于充填材料的凝固需要4h的時間，所以要保證不少于4h的凝固時間，確保承壓能力達到2MPa以上，再移動、調整充填支架及模板[3]。

表1 留巷巷旁充填齡期指標

4 礦壓觀測方案[4，5]

(1)工作面

根據礦壓觀測技術要求，在工作面安裝了KJ-345型支架自動在線監控系統。工作面布置三條觀測線：一條布置在工作面中部，其余兩條分別布置在離兩條順槽20m處。每條觀測線由三個相鄰的液壓支架上的尤洛卡支架工作阻力自動檢測儀表組成。

(2)沿空留巷充填體

沿空留巷充填體自開切眼10m開始布置，間隔為10m的觀測點5個，隨后布置間隔為50m的觀測點5個，累積總觀測距離為300m。在每個觀測點處充填體內布置2個液壓枕，布置高度為1.75m，兩液壓枕距充填體兩邊緣為1m。

(3)煤體

CY-150型鉆孔應力計、MC-300型錨桿(索)測力計，在每個觀測點處的煤體內布置4個液壓枕，布置高度1.75m，間距為4m，累計需要液壓枕60個。

(4)沿空留巷效果觀測

為觀測工作面開采過程中，初次來壓及周期來壓對巷道變形及巷道頂板離層的影響，沿空留巷頂板內安設了KZL-300頂板離層自動監控系統。沿空留巷效果觀測，包括巷道變形觀測和巷道頂板離層觀測。

巷道變形觀測。采用十字觀測法進行觀測，自開切眼12m開始每隔10m布置一個巷道變形觀測點，布置5個間距為10m的觀測點；隨后，每隔50m布置一個，布置5個觀測點，累計布置10個觀測點，總觀測距離為302m。

巷道頂板離層觀測。安裝KZL-300頂板離層自動監控系統和錨桿測力計兩種儀器。頂板離層儀安裝于頂板中央，測點自開切眼10m開始，其余布置與巷道變形觀測相同。離層儀安設長度350m，前5個間距20m，后5個間距50m，共計10個，進行24h監測；錨桿測力計安設300m，前5個間距10m，后5個間距50m，共計10個。

5 觀測結果分析

工作面開始回采累計觀測了127m，工作面初次來壓和周期來壓已經顯現，數據分析結果：8#煤直接頂初次跨落步距為10～12 m、老頂垮落步距為34 m，其特點是先從工作面中間開始垮落，然后向兩邊擴散；工作面壓力分布出現在工作面中間和兩端頭；兩順槽超前壓力分布在距煤壁往外20 m范圍內。

通過觀測數據，可以得出充填體鉆孔應力計(ZK)、錨桿測力計(MG)受力變化曲線圖和煤幫受力變化曲線圖(圖6～9)。由圖6可知，充填體受力一般在2～4MPa之間，這與充填體受力分析的結果較為吻合，在首次采動的作用下充填受力較小。由圖7可知，充填體中測力錨桿的受力一般在20～40MPa之間，這與一般巷道煤體錨桿的作用力相當，表明在首次采動的作用下，沿空留巷的礦壓顯現比較平穩。由圖8可知，沿空留巷煤幫(左幫)受力一般在3～4.5MPa之間，這與充填體的受力基本一致，表明在首次采動的作用下，沿空留巷的煤幫受力同樣較小。由圖9可得出留巷變形觀測結論：由留巷頂板離層觀測歷史曲線可見，沿空留巷的頂板離層通常為27mm左右，最大值為41mm。表明在首次采動的作用下沿空留巷的巷道頂板較為穩定，礦壓顯現比較平穩。

圖6 充填體鉆孔受力變化曲線

圖7 充填體錨桿受力變化曲線

圖8 煤幫受力變化曲線

圖9 沿空留巷頂底板位移變化

6 結 論

沿空留巷快速充填技術已經在屯蘭18205工作面成功實施，目前工作面已推進350m，基本達到了預期效果：瓦斯控制在規程規定范圍內，沿空留巷墻體能有效地控制頂板，平均日產量達到了400t，取得了良好的技術經濟效果,為高瓦斯礦井瓦斯治理開辟了新的思路。

[1] 何滿潮. 中國煤礦軟巖巷道支護理論與實踐[M]. 徐州: 中國礦業大學出版社, 1996.

[2] Bauer E.R., Pappas, D.M, Dolinar D.R etc., Skin Failure of the Roof and Rib in Underground Coal Mines [C]. In: Peng S. S. and Mark C., eds. Proceedings of the 18th International Conference on Ground Control in Mining. Morgantown, WV, West Virginia University, 1999, 108-115.

[3] 劉沐宇,徐長佑. 硬石膏的流變特性及其長期強度的確定[J]. 中國礦業,2000,9(2):53-55.

[4] 謝廣祥,楊 科,常聚才. 綜放回采巷道圍巖力學特征實測研究[J]. 中國礦業大學學報,2006,35(1):94-98.

[5] 張東升,馬立強. 綜放沿空留巷圍巖變形影響因素的分析[J]. 中國礦業大學學報,2006,35(1):1-6.