高水材料巷旁預充填在煤礦開采中的應用

高永格，郭亮亮，張希

(河北工程大學資源學院，河北 邯鄲056038)

巷旁支護指巷道斷面范圍以外，與采空區交界處架設的一些特殊類型的支架或人工構筑物。常見的巷旁支護主要有:木垛支護、密集支柱支護、矸石帶支護、混凝土砌塊支護以及高水材料整體澆注支護等形式。巷旁充填可作為無煤柱護巷技術使用，既改變了巷道的受力情況，也減少了煤柱的損失［1－2］。巷旁充填體在沿空留巷中應用較多，一般沿采空區一側構筑充填體，起到切斷頂板、隔離采空區等作用，而留下原運輸巷作為下區段的回風巷繼續使用。目前，這種方法在我國煤礦開采中應用較為廣泛，并且提高了一定的經濟效益及采區回采率［3－4］，但是，對于地質條件復雜的工作面，巷道維護困難，甚至需要重新開掘回風巷道。而巷旁預充填沿空掘巷技術，盡管未能減少巷道掘進工程量，但是改善了工人的作業環境，同時能夠減少巷道維護費用［5－7］。

云駕嶺煤礦12802工作面條件復雜，煤層屬厚煤層，巷道變形量大，采用沿空留巷技術較為困難。

表1工作面頂底板巖性特征Tab.1 Lithologic characteristics of working face roof and floor

為減少煤炭損失和合理安全生產，擬采用巷旁預充填無煤柱開采技術，在12802運巷下幫緊貼煤壁，采用高水速凝充填材料實施2 m寬巷旁支護，下一工作面回風巷道沿充填體邊緣掘進，該充填體作為“小煤柱”，一方面承載上部巖層的載荷，并隔離采空區，避免矸石竄入和漏風等因素的影響;另一方面該措施取消了區段煤柱，減少了煤炭損失，能夠提高回采率。為了掌握采動影響下充填體受力及穩定性，對充填體受力及變形進行監測。

1 煤層地質及開采條件

12802工作面走向長度為1 150 m，傾斜長度164 m，煤層傾角平均為25°，煤層厚度平均3.7 m，開采深度530 m，老頂周期來壓步距15～20 m，采場頂板類型屬Ⅱ類。開采方式為單一厚煤層一次采全厚走向長壁后退式采煤法，采用全部跨落法控制頂板。工作面頂底板特征如表1所示。

2 現場觀測

2.1 觀測儀器

本次測試采用GYW25型應力傳感器，量程0～25 MPa，信號傳送距離≤1 000 m，并配合多功能監測單站，能在較長的距離和較長時間內進行監測。數據可自動儲存在單站中，并可隨時讀取，方便可靠。

2.2 測站布置

為保證數據的可靠性，共設置5個測站，測站間距20 m。測站建立的時機在工作面推過，實施墻體充填即將完畢后安裝觀測儀器，測站布置如圖1所示。

2.3 應力傳感器的安裝

1)充填體垂直受力觀測:為掌握充填體上部覆巖運動規律及其受力大小，對充填體進行垂直受力的觀測。

充填工作一般超前工作面5～8 m進行，一個充填循環完成后，在距工作面最近的墻體上，立即安裝墻體承載測點，沿充填體寬度方向布置3個應力傳感器:2個分別布置在靠近充填體邊緣400 mm處，另1個布置在充填體寬度中心。另外，為保證傳感器均勻受力，在傳感器與頂板接觸部位設置一個方形鋼墊板，墊板規格為30×30 cm。傳感器安裝位置如圖2所示。

2)充填體側向受力觀測:為掌握充填體受力后的側向變形，從而分析充填體的穩定性，故對其側向推力進行觀測。

每個測站沿巷道軸向方向依次布置3個側向應力傳感器，傳感器間距0.5～0.8 m，當充填達到最終充填高度約1/2高度處時，立即安裝墻體承載測點。另外，由于煤幫較軟，為避免傳感器與下幫煤體接觸受力后壓入煤體中，在安裝部位安設一塊木質墊板，以使傳感器均勻受力。傳感器安裝位置如圖3所示。

3 現場實測數據分析

3.1 垂直方向受力

工作面回采過程中，上覆巖層具有明顯的依次向上發展的分層組合運動特征，這種運動往往受上覆巖層中一層或幾層力學性能較好的堅硬巖層控制，頂板以板的形式斷裂，形成O－X斷裂，巷旁充填體處于斷裂后的關鍵塊B下方，如圖4所示，在垂直方向上充填體主要承受老頂O－X斷裂后關鍵塊B的回轉下沉的載荷，直到一端在采空區觸矸，另一端支撐在煤壁中形成穩定的力學平衡“小結構”，這種回轉下沉才會停止［8－9］。

根據現場觀測結果，現將觀測比較完整且能夠反映充填體受力的2個測站的幾組曲線進行分析，觀測結果曲線如下圖5所示(圖中負號代表工作面后方x米)。

由圖5(a)可以看出:(1)受頂板回轉下沉的影響，靠近巷道下幫煤體一側的傳感器開始受力較早。(2)在工作面后方0～10 m時，傳感器讀數增長很快，應力變化區間為 0.1 MPa～12.4 MPa，此時測點處于工作面的下端頭位置，老頂巖層的破斷結構發生失穩垮落，從而造成充填體和煤體上的載荷急劇增大。(3)在工作面后方10～25.2 m時，應力值增長較慢并趨向緩和，應力值最大達到13.7 MPa，是原巖應力的0.9倍。該階段頂板大面積冒落后，采空區內松散碎矸石逐漸壓實，承載能力逐漸增高，分擔了充填體部分載荷。從實際觀測看，靠近采空區一側的傳感器壓力緩慢下降，運巷下幫一側的則壓力呈上升趨勢。(4)在工作面后方25.2～40.5 m時，應力值總體呈現下降趨勢，應力變化區間為 13.7 MPa ～8.6 MPa，該階段頂板活動趨于平緩，并逐漸達到穩定。(5)在工作面后方40.5 m之后，采空區覆巖活動已經基本趨于穩定，穩定后的應力值為11 MPa左右，實測充填體承受的應力值小于原巖應力，充填體處于采空區煤壁邊緣的低應力區，受力狀態較好。

由圖5(b)可以看出:(1)在工作面前方0～10 m，充填體的應力變化區間為0 MPa～6.2 MPa，此階段充填體主要承受工作面回采時超前支承壓的作用，應力呈逐漸增長趨勢。(2)在工作面后方0～7 m，充填體的應力變化區間為3.6 MPa～10.1 MPa，應力變化較大;此階段充填體處于工作面的下端頭位置，圍巖變形劇烈。(3)在工作面后方7～40 m，充填體的應力變化區間為2 MPa～12.6 MPa;該階段充填體處于采空區位置，隨著老頂的繼續下沉，充填體所受載荷逐漸增加。(4)在工作面后方40 m之后，充填體的載荷基本上穩定在11 MPa左右，并小于該位置處的原巖應力。

3.2 側向方向受力

巷道頂板回轉運動將對充填墻體產生水平作用力，導致墻體的水平方向變形，底板的流變效應也會使墻體產生扭曲變形，最終可能導致墻體的破壞。云駕嶺煤礦在12802工作面運巷下幫構筑充填墻體，水平作用力會產生煤幫和充填體之間的擠壓，通過側向受力觀測，可分析充填體的變形情況。現場觀測結果曲線如圖6所示。

由圖6可以看出:(1)在工作面端頭位置時，側向應力緩慢增大，由于煤層內膨脹壓力逐漸增大，造成煤幫的變形逐漸增大，被擠壓的充填體載荷逐漸增大。傳感器最大值達到0.8 MPa后，水平作用力較明顯。(2)在距工作面后方0～40.5 m時，應力值緩慢持續增長，應力值變化區間為0.1MPa～3.5 MPa。(3)在距工作面后方 40 ～50 m時，巷旁充填體側向應力基本穩定在3 MPa左右，此時運巷下幫煤體的變形逐漸趨于穩定。

4 結論

1)充填體垂直應力最大達到13.7 MPa，在距離工作面40 m之后，充填體的受力逐漸趨于穩定，達到10～12 MPa，穩定后的應力值小于該處的原巖應力，巷旁充填位置選擇合理，受力狀態較好，有利于保持充填體的完整和穩定。

2)巷旁充填體側向受力較小，最大達到3.8 MPa，充填體受采空區垮落矸石和下幫煤體的約束作用，實際上處于三軸應力狀態，變形量較小，充填體基本穩定。

3)下一個工作面開采時，充填體受下區段掘進巷道及開采影響，受力狀態發生變化，充填體的穩定性如何直接影響到巷道支護設計及安全生產，需做進一步研究。

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