煤礦高濃度膠結充填開采沿空留巷技術研究

楊寶貴 楊 捷 彭楊皓

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京100083)

隨著近年來我國巷道支護事業的迅猛發展，沿空留巷技術被廣泛應用。沿空留巷具有降低礦井巷道掘進率、緩解采掘接替矛盾，提高資源采出率，延長礦井服務年限等一系列優越性，是煤礦開采技術中的一項重大改革［1-4］。煤礦充填開采由于解放三下壓煤，控制地表沉降而成為未來煤礦開采的發展趨勢。研究表明［5-8］:采空區全部充填開采后，礦山壓力顯現較垮落法開采時弱小很多，工作面超前支承壓力影響范圍、應力集中系數、支護阻力等均減小。這對沿空留巷巷道的支護是極為有利的，而且在充填開采基礎上進行沿空留巷，將進一步提高資源利用率，實現地下零煤柱，礦井“綠色開采”。本研究就以山西焦煤汾西礦業(集團)有限責任公司新陽煤礦10203 充填開采工作面為工程實例，通過數值模擬分析了充填后沿空留巷巷道的礦山壓力顯現特點，探討了在采空區實施煤礦高濃度膠結充填技術［9］后，如何實現采空區邊緣沿空留巷，保留上本區段運輸巷道為下一區段使用，并且將該技術運用到了新陽煤礦生產實踐中。

1 工程概況

新陽煤礦10203 工作面開采山西組2 號煤層，該工作面平均開采深度202 m，煤層平均傾角6°，采厚2.2 m，上覆基巖厚194 m，煤層走向長569.7 m，傾向為100 m，工作面頂底板情況如表1 所示。10203 充填工作面使用高濃度膠結充填，充填漿體是由水泥、粉煤灰、矸石和水以一定的比例配制的，充填料漿的濃度為79%。該充填料漿4 h 后的抗壓強度即可達到0.19 MPa，1 d 后的抗壓強度達0.68 MPa，7 d 后達3.15 MPa，28 d 后抗壓強度達5.2 MPa［10］。

表1 2#煤層頂底板特征Table 1 Property of 2# coal roof and floor

10203 工作面與普通綜采工作面布置基本相似。回風巷布置在工作面沿傾斜方向的上方，運輸巷布置在其下方。在運輸巷內實現沿空留巷，保留此巷道作為下一工作面的回風巷。工作面兩巷設計斷面近似為矩形，正常段凈寬×凈高=3.4 m×2.2 m。原巷道頂板采用螺紋鋼錨桿、錨索與金屬菱形網聯合支護，巷道兩幫為鐵錨桿與金屬菱形網聯合支護。具體支護如圖1 所示。

圖1 巷道錨、網、索聯合支護斷面示意Fig.1 Schematic diagram of combined support section of anchor rod，metal mesh and anchor rope

2 沿空留巷數值模擬

以新陽煤礦為工程實例進行數值模擬分析。為了對比充填開采與垮落法開采下的沿空留巷巷道礦山壓力顯現特點，進一步了解充填后沿空留設巷道的變形規律，先模擬垮落法開采時沿空留巷巷道應力分布。

2.1 模型參數的選取及建立

本數值模擬使用FLAC3D軟件，選用摩爾－庫倫屈服準則［11-12］。模型中假設同一巖層為性質均一的彈塑性體，傾斜工作面為水平工作面，巷道斷面為規則的矩形。

按照表2 的煤層頂底板巖層分布狀況將模型共劃分為10 層，采高設定為2.2 m。工作面實際開采長度為走向569.7 m、傾向100 m。根據模擬研究的目的以及為避免邊界效應的影響，將巷道布置于模型中部，設計模型尺寸為150 m× 200 m × 200 m，走向、傾向和垂直方向根據模擬目的不同劃分不同的網格，共劃分出106 896個單元，107 659個節點。

表2 10203 工作面煤層頂底板巖石力學性質Table 2 Rock properties of 10203 working face coal roof and floor

固定模型的左、右、前、后和下邊界，設置上邊界為自由邊界。上覆巖層在自重應力下達到原始應力平衡后就開始模擬垮落法開挖，之后再進行充填法開挖。

2.2 數值模擬結果分析

數值模擬過程中，在沿空留巷巷道的頂、底板以及巷道兩幫的中線附近，沿煤層走向方向各布置若干監測點，通過剖面以及監測點數值的變化可以清楚地看到巷道頂板應力以及位移變化。計算完成后，分別輸出開采后的應力分布、位移分布圖，如圖2 ～圖5所示。

圖2 垮落法開采垂直應力Fig.2 Vertical stress of the caving mining method

圖3 充填法開采垂直應力Fig.3 Vertical stress of the filling mining method

由圖2、圖3 可以看出，煤層開采之后，其上覆巖層與底板巖層的初始應力平衡狀態遭到破壞，應力重新分配，達到新的平衡。充填之后的采空區周圍各項應力均比垮落法開采時要小，這主要是因為充填體及時充填而且具有一定的強度，能夠承擔上覆巖層的重量，這樣既減小了上覆巖層移動的空間，而且也使采場圍巖支護結構的承載能力得到了保持。煤層開采后主要的應力增值區集中在巷道的兩幫，充填開采則降低了巷道的應力集中。監測數據顯示:垮落法開采時巷道頂板受到的垂直應力約為5.2 MPa，巷道圍巖最大應力為10 MPa;充填后巷道頂板的垂直應力降為2.5 MPa，巷道圍巖最大應力減小至5.9 MPa，垂直應力和巷道圍巖最大應力均減小至垮落法時的一半左右。

圖4、圖5 分別為垮落法和充填法開采下的上覆巖層垂直方向的位移分布圖，通過監測點繪制的位移曲線如圖6、圖7 所示。

圖4 垮落法開采上覆巖層垂直位移Fig.4 Vertical displacement of the overlying strata in caving method

圖5 充填法開采上覆巖層垂直位移Fig.5 Vertical displacement of the overlying strata in filling method

圖6 沿空留巷巷道頂底板移近量Fig.6 Variation of the convergence of gob-side entry retaining roadway roof

由圖6 可以看出:不同開采方式下的巷道頂底板下沉量曲線形狀基本上保持一致，隨著距煤壁距離的增大，巷道頂板下沉量逐漸增加，當距離增大到一定程度時，頂板的下沉量基本保持在一個平衡狀態。不同開采方式下，巷道頂底板均在超前工作面20 m 處開始下沉。在距離工作面煤壁20 ～45 m 的范圍內，頂板下沉量下沉速度是最快的，充填開采時下沉速度約為2.4 mm/m，垮落法開采的下沉速度高達7.0 mm/m。距工作面煤壁距離超過45 m 后，頂板下沉量的改變就逐漸變小，45 m 處是巷道頂底板下沉曲線的一個拐點。距離工作面60 m 后，頂板下沉量基本保持不變，不再發生下沉。垮落法開采時巷道頂底板最大下沉量為507 mm，采用高濃度膠結充填以后，沿空留設巷道頂底板最大下沉值減小到135 mm。

圖7 顯示了不同開采條件下巷道兩幫的移動變形情況。

圖7 沿空留巷巷道兩幫移近量Fig.7 Variation of the convergence of two sides of gob-side entry retaining roadway

在超前工作面20 m 處，巷道兩幫就發生移動，在距工作面60 m 處，巷道兩幫移近量變緩。垮落法開采時，巷道兩幫移近量在超前煤壁20 m 處就以較快的速率增長直至距工作面約50 m 處，50 m 后的范圍內，兩幫移近量增長緩慢，巷道彈性應變能釋放完畢。充填法下的巷道兩幫移近量也是在超前煤壁20 m 處開始，在距煤壁15 ～60 m，變形速率顯著增加，認為是因為充填體強度較小，對上覆巖層重量承載能力有限等原因造成的，故在實際工程實施中，此范圍應該加強支護。60 m 后，巷道兩幫移近量變緩，最終基本穩定在了90 mm。

圖6、圖7 表明，充填開采后沿空留巷巷道圍巖變形較小，其巷道變形率僅為8%左右，較垮落法時的20%相比減小了12 個百分點。

3 采空區全部充填沿空留巷技術

經數值模擬分析可知，充填開采后沿空留巷巷道圍巖應力、巷道變形均減小，礦山壓力顯現顯著變弱。但是考慮到采空區沿空留巷巷道要經歷2 次采動影響，即本工作面的1 次采動影響和下一工作面的2 次采動影響［13-14］;巷道使用周期較長，而且2 次采動對巷道變形影響較大。因此，為一次性維護好巷道需要對其進行必要的支護。

3.1 臨時支護

巷道受本工作面采動影響時，圍巖變形劇烈，但僅僅發生在工作面前后方的某一范圍之間。隨著工作面的推進，其影響逐漸減弱。因此只需對該范圍內的巷道進行適時支護即可。施工過程中，10203 工作面使用單體液壓支柱配合配鉸接頂實現臨時支護，在工作面上、下出口往外采用單體支柱配鉸接頂梁打超前支護各2 排，間距為1.5 m，排距為1.7 m，長度不少于20 m。新陽礦使用的充填漿體4 h 后的抗壓強度為0.19 MPa，1 d 后的抗壓強度達0.68 MPa［14］，初凝強度較小，不能夠馬上達到最終強度。同時數值模擬結果也表明，應該在工作面后方沿空巷道內加強支護。于是本工作面采用2 排單體支柱配鉸接頂梁支護頂板，單體柱間距1.5 m，排距1.5 m，其中1 排要靠近充填體支設，待支護長度達到60 m 后，隨工作面推進而向前移柱。

3.2 永久支護

考慮到沿空留巷巷道服務時間長，要經受2 次采動影響，為了保證留巷一次性成功，避免巷道頂板離層兩幫片幫等事故，在充填的同時，對原巷道頂板進行補強支護。本工作面采取的補強措施為:采用錨索梁進行加強支護，錨索梁使用16#鋼槽，在鋼槽上均勻打3 根錨索加強支護，間距為0.8 m，排距為1.5 m，具體布置如圖8 所示。

4 現場觀測

通過對10203 工作面已完成的沿空留巷巷道現場觀測，發現巷道頂底板以及兩幫移近量均在數值模擬范圍之內，而且巷道頂板維護完整，沒有大的冒落，巷道煤壁側沒有發生片幫，這既是因為充填體承擔了上覆巖層部分重力，緩解了巷道應力集中，也是由于錨桿錨索聯合支護緩解了頂板壓力。通過實施充填開采沿空留巷技術，達到了沿空巷道預期目標。

圖8 沿空留巷巷道支護俯視圖Fig.8 Vertical view of gob-side entry retaining roadway support

實施煤礦高濃度膠結充填開采沿空留巷技術后，采空區實現了全斷面密實充填。高濃度充填料漿充滿了采空區周圍巖體的縫隙空間，空氣、瓦斯等難以停留在采空區，徹底杜絕了垮落式開采沿空留巷后常見的瓦斯集聚、采空區著火、透水等災害事故的發生［15］。這也是采空區充填后沿空留巷的一個特點。

通過現場觀察發現，工作現場設備居多，人員較多。同時進行多種工藝，有沿空留巷巷道臨時支護、永久支護，采煤工作面推進以及充填工作面充填等。所以，在實施充填開采沿空留巷技術時，要統籌安排，合理施工，工序緊湊銜接，避免各工藝相互干擾，影響施工進度，造成安全隱患。

5 結 論

新陽煤礦充填后巷道頂板的垂直應力和巷道圍巖最大應力均減小至垮落法時的一半左右，巷道圍巖應力降低顯著。充填開采后沿空留巷巷道圍巖變形較小，其巷道變形率僅為8% 左右，較垮落法時的20%相比減小了12 個百分點，取得了非常好的留巷效果。而且，采空區全部充填開采沿空留巷工藝簡單，可操作性強，采空區充填完畢后自然形成沿空巷道。實現了連續開采，緩解了接替緊張問題，取消了區段煤柱，最大限度提高了礦井煤炭資源采出率，而且杜絕了火災，瓦斯集聚等災害發生，在有條件的礦井應該推行。

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