薄煤層巷旁高水充填沿空留巷技術(shù)研究

潘光超++劉濤++楊文光

[摘 要]沿空留巷是維護(hù)在工作面后方的采空區(qū)邊緣巷道，即在工作面回采過程中，通過有效的巷旁充填和巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)，將原巷道保留下來，作為鄰近工作面的一條巷道使用，但是由于沿空留巷的巷道受工作面采動影響而引起的礦壓顯現(xiàn)要比用煤柱維護(hù)的巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈的多，在巷道維護(hù)時比較困難，因此巷旁充填體性能和巷內(nèi)支護(hù)手段是沿空留巷技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，該文主要介紹了薄煤層巷旁高水充填技術(shù)研究，為今后薄煤層礦井巷旁沿空留巷開采提供可靠依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]薄煤層；巷旁；沿空留巷；技術(shù)研究

中圖分類號：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）18-0022-01

1 沿空留巷的意義

薄煤層工作面回采巷道為半煤巖巷，巷道掘進(jìn)手段沒有多大的變化，仍以打眼放炮、人工裝煤為主，掘進(jìn)速度慢，造成薄煤層綜采工作面接替緊張，為了緩解采掘接替緊張的局面和提高煤炭資源采出率，為薄煤層的高產(chǎn)高效提供技術(shù)支撐和指導(dǎo)作用，開展沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

2 巷旁充填體作用機(jī)理

巷旁支護(hù)體控制巷道頂板、維護(hù)巷道，關(guān)鍵是要有足夠的支護(hù)強(qiáng)度及適量的可縮量，足夠的支護(hù)強(qiáng)度能夠及時切落采空區(qū)側(cè)足夠高度的頂板巖層，使更上位巖層得到采空區(qū)冒落矸石及側(cè)向煤體支撐，同時，適量的可縮量滿足巷旁支護(hù)體服從巖層的旋轉(zhuǎn)下沉，防止在頂板巖層旋轉(zhuǎn)下沉?xí)r破壞巷旁支護(hù)體，實(shí)現(xiàn)控頂載荷向側(cè)向煤體及采空區(qū)冒落矸石轉(zhuǎn)移。因此，沿空留巷巷旁支護(hù)的作用機(jī)理為：

1. 巷旁支護(hù)體應(yīng)具有早期強(qiáng)度高、增阻速度快的力學(xué)特性，緊隨工作面構(gòu)筑，及時支護(hù)直接頂，控制巷道圍巖變形，與巷內(nèi)支護(hù)共同作用，確保巷道內(nèi)直接頂不破碎、避免與上部基本頂離層，并切斷采空區(qū)側(cè)的直接頂，減小巷旁支護(hù)體所承受的載荷。

2. 回采面的推進(jìn)，必然引起基本頂破斷、失穩(wěn)、劇烈沉降，在基本頂破斷時巷旁支護(hù)體的支護(hù)阻力應(yīng)達(dá)到切頂阻力，切斷采空區(qū)側(cè)基本頂，減小巷旁支護(hù)體載荷。

3. 巷道圍巖運(yùn)動穩(wěn)定后，巷旁支護(hù)體具有的支護(hù)阻力為后期支護(hù)阻力，其大小應(yīng)能夠維持巷道上方已切斷巖層的平衡，同時將巷道頂板下沉量控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，一般后期支護(hù)阻力小于切頂阻力。

根據(jù)北宿煤礦薄煤層1873工作面頂板巖層情況、公式計(jì)算和以往的實(shí)踐，當(dāng)采高1.0m時，巷旁支護(hù)體寬度1.2m、充填體抗壓強(qiáng)度8MPa能滿足沿空留巷的要求，本研究確定采用高水充填材料凈漿充填。

3 高水速凝材料及其沿空留巷技術(shù)簡介

3.1 高水速凝材料簡介

高水速凝材料是一種能在高水灰比條件（W/C=1.3：1～3：1）下快速凝結(jié)的特種水泥。該材料以硫鋁酸鹽水泥熟料為基料，加入石膏、石灰、復(fù)合緩凝劑、懸浮劑、復(fù)合速凝劑等配制而成，為了使用方便，高水速凝材料分甲料、乙料兩部分，按1：1的比例配合使用。甲料、乙料單獨(dú)與水混合24h不凝結(jié)，為避免管路堵塞和一定條件下不沖洗管路創(chuàng)造了條件，而甲料漿和乙料漿一旦相互混合則快速凝結(jié)硬化。

3.1.1 抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系

高水速凝材料抗壓強(qiáng)度與水灰比的大小成反比關(guān)系，水灰比越小，強(qiáng)度就越高，每立方米充填需要使用的高水速凝材料越多，水用量越少，充填凝固體的強(qiáng)度就越高，反之，水灰比越大，每立方米充填需要使用的高水速凝材料越少，水用量越多，充填凝固體的強(qiáng)度就越低，在水灰比W/C=0.5：1～0.75：1左右，這是普通水泥混凝土經(jīng)常使用的水灰比范圍，高水速凝材料抗壓強(qiáng)度可達(dá)到30～50MPa以上。根據(jù)高水速凝材料與水灰比的關(guān)系，調(diào)節(jié)水灰比改變充填體抗壓強(qiáng)度可以滿足多種強(qiáng)度要求的工程需要。

3.1.2 高水速凝材料的變形性能

高水速凝材料具有突出的塑性特征，在載荷達(dá)到峰值強(qiáng)度后，高水速凝材料并不立即完全破壞喪失承載能力，而是隨著應(yīng)變的進(jìn)一步加大，承載能力呈緩慢下降趨勢，承載能力隨應(yīng)變增加緩慢下降的速度遠(yuǎn)小于一般的混凝土和巖石材料。該水灰比的高水速凝材料峰值抗壓強(qiáng)度為10.36MPa，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到10%時，其抗壓強(qiáng)度還維持在峰值強(qiáng)度的65%以上，應(yīng)變繼續(xù)增加達(dá)到18%，殘余抗壓強(qiáng)度為峰值的59%左右。因此，高水速凝材料巷旁支護(hù)體呈現(xiàn)明顯的塑性特征，在壓力作用下可以允許產(chǎn)生較大的塑性變形，強(qiáng)度衰減比較緩慢，可以維持較高的殘余強(qiáng)度。

4 試驗(yàn)巷道圍巖控制效果

4.1 礦壓觀測內(nèi)容及觀測方法

為了觀測兩順槽在本工作面留巷期間和二次采動影響期間的圍巖活動規(guī)律，考察巷道圍巖變形和充填體的變形，研究支護(hù)參數(shù)的合理性，在沿空留巷過程中設(shè)置相應(yīng)的測站，對圍巖表面位移、圍巖深部位移、頂板離層狀況、充填體載荷及圍巖應(yīng)力變化進(jìn)行觀測。

4.2 工作面后方巷道圍巖變形情況

測站表面位移距離工作面越近變形量和變形速度越大，隨著工作面向前推進(jìn)，巷道表面變形量和變形速度逐漸降低。工作面后方巷內(nèi)圍巖變形分3個階段，即①變形速度增加區(qū)，②變形速度降低區(qū)，③變形速度穩(wěn)定區(qū)。在開始時，隨著工作面推進(jìn)，工作面上方頂板巖層不斷的回轉(zhuǎn)、下沉破壞，留巷采空區(qū)一側(cè)的基本頂在自重和充填體所產(chǎn)生的切頂阻力作用下被切落，巷道圍巖變形明顯，由圖4-3、4-4可以看出工作面后方60m范圍內(nèi)巷道圍巖變形較為劇烈，在距工作面-30m附近達(dá)到最大，頂?shù)装遄畲笠平俣葹?.25mm/d，兩幫最大移近速度為4.75mm/d。

隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，巷道圍巖支承壓力影響范圍擴(kuò)大，壓力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，巷道圍巖變形速度明顯降低，在上面圖4-3、4-4中工作面后方60～120m反映出來。在工作面后方120m以外巷道圍巖變形速度趨于穩(wěn)定，圍巖平均變形速度在1mm/d以下。巷道圍巖變形主要以底鼓為主，由于底板采取開放式處理方式，沒有支護(hù)，部分區(qū)段底臌嚴(yán)重，充填體插入煤層底板較深，煤幫表現(xiàn)明顯的蠕變特性。總體來說，巷內(nèi)采用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)強(qiáng)化圍巖，配合有效的巷旁支護(hù)，控制住了沿空留巷期間圍巖的劇烈變形。

5 結(jié)論

（1）得到了北宿煤礦17層工作面沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。受回采工作面超前支承壓力的影響，工作面前方40m處的巷道圍巖開始有變形，到35m處時，巷道圍巖變形稍有增加，頂?shù)装逡平俣葹?mm/d，在工作面前方20～40m的范圍內(nèi)，頂?shù)滓平俣燃s為1.3mm/d，而在工作面前方0～20m的范圍內(nèi)，移近速度約為3.4mm/d。工作面后方60m范圍內(nèi)巷道圍巖變形較為劇烈，在工作面后方30m附近達(dá)到最大，頂?shù)装遄畲笠平俣葹?.25mm/d，兩幫最大移近速度為4.75mm/d，工作面后方60～120m，巷道圍巖變形速度明顯降低，工作面后方120m以外巷道圍巖變形速度趨于穩(wěn)定，圍巖平均變形速度在1mm/d以下。

（2）根據(jù)工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、井下施工條件，提出采用早期強(qiáng)度大、增阻速度快、具有一定的可縮量和較高的殘余強(qiáng)度的高水材料構(gòu)筑巷旁充填體，能夠很好的適應(yīng)頂板的變形，保證巷旁充填體的穩(wěn)定；結(jié)合數(shù)值模擬和理論分析，確定高水材料巷旁支護(hù)體水灰比為1.5：1，兩順槽充填體寬度為1.2m。

（3）提出了采用對拉錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼筋梯子梁提高巷旁充填體的穩(wěn)定性。

（4）結(jié)合工作面沿空留巷的現(xiàn)場情況，提出了使用單體液壓支柱、π型梁作為沿空留巷的臨時支護(hù)方式，確定了試驗(yàn)巷道頂板的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，確保沿空留巷在下一工作面回采過程中的正常使用。

作者簡介

位建峰，男，本科，工程師，主要從事煤礦采礦方面的研究，現(xiàn)在北宿煤礦技術(shù)科工作。