厚煤層巷內預構混凝土充填帶開采技術

鄭 靜

(新礦集團趙官能源有限責任公司， 山東 德州市 251113)

0 引 言

我國于1970年代從外國引進了無煤柱開采技術，由于其帶來的巨大的經濟和社會效益，在國內得到了廣泛的推廣應用[1]。作為無煤柱開采技術的兩種不同方式，沿空留巷技術和沿空掘巷技術提高了資源利用率，減少了煤炭損失；減少了巷道維護量。

但是在無煤柱開采技術的實踐中也出現了很多問題。由于我國地質條件較為復雜，支護技術及支護理論落后的原因，沿空留巷技術在應用中存在很多不足之處。尤其是支護方式不合理的問題，傳統的巷旁支護存在初期支護阻力小、可縮性差等問題，導致了支護與沿空留巷圍巖變形不相適應， 不利于巷道維護，引起采空區漏風與自燃發火[2]。在煤炭需求量不斷增加的大背景下，煤礦開采強度不斷增加，采深也是不斷加大，隨之出現了高地應力等新的影響因素，為此提出了小煤柱沿空掘巷技術，但是該技術又有煤柱尺寸確定的問題，煤柱留設過大造成資源的浪費，留設過小引起巷道變形，在厚煤層分層開采或近距離煤層群聯合開采時又造成應力集中，因此也難以做出大面積的推廣[3,4]。

基于近年來高強度錨桿支護技術的使用和充填工藝的完善，結合綜放工作面巷內原位沿空留巷技術，馬立強教授提出了巷內預置充填帶無煤柱開采技術[5]。就是在厚煤層回采工作面前方的運輸平巷內，緊靠巷幫預置一條巷內充填帶。在下個工作面進行準備時，沿預置的充填帶進行掘進，不再留設煤柱，實現厚煤層無煤柱開采。巷內預制填充帶開采技術從本質上區別與沿空留巷技術和沿空掘巷技術，但是又同時具備兩者的優點，具備巨大的推廣價值。

1 無煤柱方式

沿空留巷在上區段軌道巷掘進過程中，沿靠近下區段側煤體進行充填，而充填開始的時間在回采工作完成之后進行，如圖1所示。沿空留巷技術的核心是頂板的巖層控制，巷道受到兩次巖層運動的影響，礦壓表現最為強烈，圍巖變形最大[6]。

沿空掘巷技術是在上區段回采工作完成以后，留較小煤柱沿著上區段軌道巷進行工作面準備工作，如圖2所示。沿空掘巷的準備工作是在上區段的采空區壓實和圍巖活動穩定后進行的，掘巷的位置處于煤體塑性變形區，容易失穩，發生片幫。

厚煤層巷內預制充填帶無煤柱開采技術，在上區段工作面進行準備的時候，將上區段運輸軌道巷按照大斷面進行掘進、支護；上區段開始回采工作以后，在工作面前方一定距離的范圍內，靠近下區段煤體邊緣進行巷內充填工作,如圖3(a)所示；在下區段進行工作面準備時，沿混凝土充填體進行下區段回風巷的掘進工作，不再進行煤柱留設工作,如圖3(c)所示。

與沿空留巷技術相比較，巷內預制充填體技術也實現了無煤柱的開采，減少區段煤柱，提高了采出率，延長了煤礦壽命；該技術中膏體充填體可以適應圍巖變形，滿足支護阻力要求，有效防止漏風，從而避免了采空區火災的發生，也減少了采空區瓦斯和矸石對工作面的影響，有利于礦山的安全生產；不足之處在于多掘了一條巷道，增加了巷道掘進量。與沿空掘巷技術相比較，巷內預制充填體技術取消了沿空掘巷技術的小煤柱的留設，用矸石混凝土充填體代替，減少了區段煤柱，充分利用了采礦尾砂，同時避免了因留設煤柱引起的火災和瓦斯問題的發生。

圖1 沿空留巷

圖2 沿空掘巷

圖3 巷內預制充填體技術

上區段工作面回采工作完畢后，在相鄰工作面沿本工作面充填帶掘巷，其圍巖受力情況與綜采工作面留窄煤柱沿空掘巷類似。理論研究表明，在沿空掘巷的應用實踐中，因為工作面的回采，煤體由彈性狀態進入塑性狀態，煤巖體內裂隙不斷擴展，承載能力逐漸下降，隨著工作面的前進，上覆巖層的垮落層位不斷上升，矸石破碎、冒落，巖層反轉下沉，采空區冒落的矸石與巖層相接觸并且逐步的壓實，形成穩定的拱形結構。因為拱形結構的存在，在煤層中出現應力增高區、應力降低區和原巖應力區，沿空掘巷就是在應力降低區內進行。巷道采用錨桿錨索支護，與巷道護巷小煤柱，共同形成巷道支護小結構。小結構具有一定的支撐作用，承擔了巷道周圍圍巖的壓力，也能較好的適應工作面采動條件下對沿空掘巷的支護要求，進而實現掘巷的穩定。目前在綜采工作面以及在綜放工作面都成功的實現了留小煤柱沿空掘巷。

本方案巷道采用膏體代替煤柱進行護巷，膏體充填比煤柱具有更高的密實度和支承效果，留窄煤柱沿空掘巷，煤柱側的煤體在上個工作面采動壓力作用下，往往變的松散，不利于錨桿充分發揮錨固作用，而膏體充填帶作為巷道的一幫，為巷道錨桿支護提供了較好的基礎，因此更能適應沿空掘巷要求，也能滿足掘巷穩定期和工作采動影響期對圍巖穩定性的要求。

2 工程概況

某煤礦330西翼采區3302首采工作面，傾斜長度195 m，走向推進長度設計1260 m，煤層厚度3.84 ～ 5.56 m，絕大部分區域煤層傾角平緩，煤層底板標高-250 ～ -310 m，地面地勢平坦，一般標高為+39.5 m左右，煤層埋深290 ～ 350 m。皮帶順槽設計寬度5.7 m，高度4.0 m，矩形大斷面，為巷旁充填預留寬度空間2 m。

3 數值模擬

為進一步了解巷旁充填體的穩定性，采用數值計算方法對不同寬度下巷道穩定性進行模擬。模擬過程中分別假設充填體寬度分別為1.8 m和2.0 m。模擬結果如圖4所示。

由圖4可以知道，在充填體寬度為1.8 m時，塑性區廣泛分布剪切破壞區，說明充填體的承載能力受到弱化，對于長期穩定性造成危害。在新掘巷道右方由于采動穩定影響，處于應力降低區域，充填體處應力略微增加。由于有上區段垮落巷道錨桿、錨索的作用影響，頂板的整體性增強，使得應力分擔在垮落區和實體煤區域。

圖4 數值模擬結果

由以上分析可知，在充填體為2 m的時候，充填體在各個環節都能達到穩定狀態。

4 工程應用

4.1 支護設計及參數

試驗工作面皮帶順槽沿煤層頂板掘進，選擇該煤礦目前回采巷道普遍應用的支護形式，即錨網索聯合支護。

頂板錨桿間排距為900 mm×900 mm，鋪設金屬網，規格為4200 mm×100 mm×10 mm的T型鋼帶與4400 mm×60 mm的異型鋼帶相互間隔使用。巷旁充填側煤幫支護采用Ф20×1800 mm可切割玻璃鋼錨桿支護，間排距為1000 mm×900 mm，配套120 mm×120 mm×10 mm規格高強度托盤，兩幫采用規格為2600 mm×2000 mm的菱形金屬網縱向搭接使用。

4.2 充填設計

巷旁充填主要原材料選擇商品混凝土攪拌站所正常使用的碎石、河砂和普通水泥，為了保證充填過程中料漿在管道中穩定不分層、不泌水、不凝結，需要試驗選擇應用合適的膏體添加劑，以提高膏體充填材料流動性能，控制可泵時間。

充填位置選擇在工作面前方100 m左右的地方進行，在工作面開始回采前10 d左右，首先在正常工作面前方運輸巷內準備一條超前工作面開切眼一條約100 m的巷道，在運輸巷靠近下一工作面的煤壁處澆筑巷旁充填條帶。以后按照工作面推進速度(每天10 m左右)安排充填，保持巷旁充填在工作面前方100 m左右以外進行。該設計在工作面不受影響的情況下完成巷道內充填，同時在工作面之前先期充填給充填體凝結充分的時間達到切頂要求的強度，保證了充填體的穩定和更好的切頂效果，也有利于下個區段工作面巷道的維護工作的進行。

4.3 應用效果

為檢驗膏體厚煤層巷旁充填無煤柱開采技術研究項目的可行性，在3302皮帶順槽設置了相應的觀測站，進行圍巖變形和頂底板位移進行觀測。設置兩個觀測點A1、A2，A1、A2兩點之間的距離相差10 m，A1點在靠近工作面的方向。開始觀察時A1點距離工作24 m處。觀測及記錄數據如圖5，圖6所示。

圖5 A1測站的觀測結果

圖6 A2測站的觀測結果

由圖5和圖6可知：充填體縱向變形量很小。在距離工作面16～26 m處頂底板移近速度很小，隨著工作面推進，頂底板移近量、兩幫變形明顯加快。在距工作面2 m時A2測站測得充填體側頂底板最大移近量為13 mm，A1測站處為8 mm，主要是充填帶對頂板起到支撐頂板的作用，防止頂板離層下沉。

對比圖5和圖6可看出，在本次觀測期間，3302工作面回采時皮帶順槽圍巖變形主要以兩幫變形為主，是頂底板相對移近量的2～3倍。圖5顯示A1測站測得兩幫最大變形值為58 mm，是距離工作面2 m處。由前測得充填體橫向變形極小，可見兩幫移近又主要表現在本工作面煤幫側的變形，占到總變形的86%以上。可見充填體在控制圍巖變形方面起到了積極的作用。

在大采高工作面生產過程中，巷道圍巖和充填體幾乎沒有明顯變形。矸石渣混凝土墻經受住了2次采動影響，完全優于傳統窄煤柱的支護效果，保證了工作面的正常開采。實踐證明，厚煤層巷內預置充填帶無煤柱開采技術取了成功。

5 結 論

(1) 充填體的礦壓觀測結果表明：在本工作面回采時，充填體的應力、變形均較小，最大應力僅為1.44 MPa。說明厚煤層巷內膏體預充填技術可以保證巷道穩定，技術合理，安全可靠。

(2) 與沿空掘巷技術相比，厚煤層巷內預構膏體充填技術成功的取消了煤柱的留設，提高采出率，減少了煤炭損失，還提高了經濟收入，同時避免了因為煤柱的留設導致的瓦斯對區段巷道的影響，經濟效益和社會效益顯著。

(3) 與沿空留巷技術相比，厚煤層巷內預構膏體充填技術提前進行巷內充填，減少了輔助工作對采煤工作的影響，而該技術相對多開掘出一條回風巷，但該巷道的開掘施工簡單，也不影響工作面的正常回采。

參考文獻：

[1]劉聽成.無煤柱護巷的應用與進展[J].礦山壓力與項板管理 ,1994(4)：2￣10.

[2]華心祝.我國沿空留巷支護技術發展現狀及改進建議[J].煤炭科學技術，2006(12)：78￣81.

[3]侯朝炯，郭勵生，勾攀峰,等.煤巷錨桿支護[M].徐州：中國礦業大學出版社，1999.

[4]于守財.淺析沿空掘巷技術及其發展[J].民營科技,2012(2):47￣47.

[5]馬立強,張東升,王紅勝,等.厚煤層巷內預置充填帶無煤柱開采技術[J].巖石力學與工程學報,2010,29(4):674￣680.

[6]孫恒虎，趙炳利.沿空留巷的理論與實踐[M].北京：煤炭工業出版社，1993.