李堂煤礦薄煤層開采沿空留巷技術研究與應用

孫秋榮 胡鑫印

(1.江蘇建筑職業(yè)技術學院，江蘇省徐州市，221116；2.昆山市建設工程質量檢測中心，江蘇省蘇州市，215337)

我國華東地區(qū)煤炭資源埋深較深，隨開采深度的增加、原巖應力不斷提高，為保證安全開采，保安煤柱留設尺寸越來越大，但巷道維護效果仍較差[1-2]。另一方面，薄煤層工作面回采巷道是半煤巖巷，施工速度慢、出矸多，工效低下，薄層煤開采成本較大，同時半煤巖巷道掘進速度慢，會造成薄煤層工作面采掘接替緊張，而采用沿空留巷技術，可解決接替緊張的難題。一直以來沿空留巷都應用金屬支架作為巷內支護的方法，經過二次動壓作用的沿空留巷圍巖變形量較大，金屬支架難以適應沿空留巷圍巖的大變形，支架破壞嚴重，巷道維護效果較差。近年來，先進的錨桿支護技術的發(fā)展及性能良好的錨桿(索)的推廣應用，促進了沿空留巷技術的發(fā)展[3-4]。在沿空留巷巷旁支護理論發(fā)展的同時，巷旁充填材料也有了較快發(fā)展。德國的巷旁支護采用硬石膏、飛灰加硅酸鹽水泥、矸石加膠結料等低水材料作為巷旁充填材料，有效減少了重型支架的使用和巷道的變形，從而實現(xiàn)較大斷面巷道二次利用，且不需修理，取得了良好經濟效益，目前德國有一半以上的采區(qū)采用這項技術[5]。2004年，中國礦業(yè)大學馬立強博士通過分析綜放沿空留巷頂板巖層垮落的分期規(guī)律和空間特征，運用采動巖體的關鍵層理論建立了綜放沿空留巷圍巖結構力學模型，研究得出了由于結構關鍵塊轉動作用對充填體施加的給定變形量以及充填體所需承受的應力，為綜放開采沿空留巷巷內充填體的穩(wěn)定性分析提供了一定的理論基礎[6-8]。

薄煤層堅硬頂板沿空留巷研究較少，使用高水速凝砂漿材料進行沿空留巷時，可以改善鄰近采空區(qū)的巷道維護效果[9-11]。采用該沿空留巷技術具備以下主要優(yōu)勢[12-13]：提高資源回收率、改善采掘接替、隅角瓦斯難以積聚、降低深部采煤面溫度。沿空留巷技術如圖 1所示，由于沿空巷道受兩次工作面采動影響，巷道圍巖松動圈擴大，塑性區(qū)范圍增大，頂板破碎，對支護強度要求很高[14-17]。

李堂煤礦位于江蘇省豐縣，該礦92102工作面開采9-2煤層，煤層厚度平均為1.2 m，該工作面雙巷為半煤巖巷，巷道施工速度慢，施工成本高，采掘接替關系緊張。針對李堂煤礦的生產實際情況，為解決上述問題，有必要開展高水速凝材料沿空留巷技術研究與應用。

圖1 沿空留巷示意圖

1 充填支護墻體寬度和水灰比確定

為了詳細分析李堂煤礦沿空留巷巷旁充填支護墻體合適寬度，根據李堂煤礦92102軌道巷生產地質條件，利用FLAC3D模擬分析充填體及圍巖的應力分布特性及塑性變化等情況，研究確定巷旁充填體寬度。

根據實際地質情況，模擬煤層厚度1.2 m，計算模型尺寸(長×寬×高)為150.55 m×72 m×39.52 m，上部邊界壓力按采深600 m計算，巷道尺寸(寬×高)為3.4 m×2.4 m(中線)，數(shù)值計算模型巖石性能及力學參數(shù)見表1。

表1 巖石性能及力學參數(shù)

1.1 充填支護墻體寬度確定

模擬充填支護墻體寬度在0.7 m、1.0 m、1.3 m、1.5 m情況下，巷道受采動影響時圍巖應力云圖情況見圖2。

由圖2可知，在巷道范圍內，充填支護墻體寬度為0.7 m時，頂板應力較大，頂板中部在圍巖壓力作用下產生了破壞應力，巷道頂板產生了拉應力，塑性區(qū)范圍較大；充填體寬度為1.0 m、1.3 m、1.5 m時頂板整體性較好。在充填支護墻體范圍內，充填支護墻體中間部位應力高于兩側，且充填支護墻體寬度為0.7 m時，最大應力不大于原巖應力，寬度在1.0～1.5 m時，充填支護墻體完整性較好，應力分布較均勻。

模擬充填支護墻體寬度在0.7 m、1.0 m、1.3 m、1.5 m情況下，巷道受采動影響時巷內塑性區(qū)分布見圖3。

圖2 充填支護墻體不同寬度巷道圍巖及充填支護墻體應力云圖

圖3 充填支護墻體不同寬度巷道及充填支護墻體塑性區(qū)圖

由圖3可以看出，不同充填支護墻體寬度下，巷道受力破壞的方式相同，都是以剪切破壞為主。當巷旁充填支護墻體寬度為0.7 m時，巷道圍巖產生較大應力形變，且表面出現(xiàn)較高的應力，產生了拉應力破壞，而充填支護墻體上方頂板破壞表面與巷道頂板不是垂直，有一定夾角，由于發(fā)生了剪切性的破壞，此時上覆巖層發(fā)生明顯的旋轉下沉；巷旁充填支護墻體寬度為1.0 m時，此時巷道圍巖變形量明顯變小，充填支護墻體在切斷頂板后較為穩(wěn)定，巷內頂板和實體煤幫受拉應力破壞產生的塑性區(qū)范圍變小，頂板下沉量也減小，整體塑性區(qū)范圍明顯減小；巷旁充填支護墻體寬度為1.3 m時，與寬度為0.7 m時比較，巷道變形量及塑性區(qū)有明顯減小，但與巷旁支護體寬度1.0 m比較沒有明顯變化；當巷旁充填支護墻體寬度為1.5 m時，此時充填支護墻體及巷內頂板的變形量及塑性范圍較小，且巷內圍巖由張拉破壞變?yōu)榧羟衅茐模f明此時巷內支護較為穩(wěn)定，圍巖破壞以擠壓剪切為主。

通過采用數(shù)值模擬軟件對上述沿空留巷巷旁充填支護墻體不同寬度的研究分析，得出了充填支護墻體與巷道的應力分布和塑性區(qū)范圍，并對不同的結果進行了比較，支護體的寬度在0.7 m時，墻體及巷道變形較大，巷道的維護狀況不良；充填支護墻體寬度在1.0 m時，形變量不大，塑性范圍較小，為合理的寬度；支護體在1.3 m和1.5 m時，形變量與寬度為1.0 m相比變化不大，但考慮到留巷成本較大在經濟上不合理，故不予考慮。綜合該礦的生產經營情況，最終得出巷旁留巷合適的充填支護墻體寬度為1.0 m。

1.2 數(shù)值模擬結果分析

數(shù)值分析計算表明：巷旁充填支護墻體的寬度太小會嚴重影響留巷的維護效果。由巷旁充填支護墻體變形和留巷變形受控的情況分析，當巷旁充填支護墻體寬為1.0 m時可以保障較好的巷道控制效果。

綜上所述，巷旁充填支護墻體的寬度為1.0 m時，采煤側充填1.0 m，留巷后巷道寬度3.4 m、高度1.4 m，巷旁充填支護墻體與沿空留巷圍巖穩(wěn)定，能夠滿足沿空留巷使用要求。

2 工業(yè)性試驗

2.1 巷內增強支護

沿空留巷需要經歷兩次工作面采動的影響，頂板活動強烈，為控制沿空留巷頂板，提高留巷效果，需在現(xiàn)有錨桿支護的基礎上進行增強支護，具體增強支護方案如下：

采用?17.8 mm×6200 mm的預緊應力錨索對巷道的頂板進行增強支護，錨索每排兩根，間排距為1600 mm×1200 mm，每根錨索分別采用一支CK2340藥卷和兩支Z2360藥卷，每根錨索采用長×寬×厚為300 mm×300 mm×16 mm鋼托盤和一鎖套，錨索安裝預緊應力不小于195 kN，錨索錨固力不小于380 kN；實體煤幫及留巷幫下部采用?20 mm×2200 mm的螺紋鋼錨桿加強支護，巷內增強支護布置如圖4所示。

圖4 92102軌道巷巷內增強支護布置圖

2.2 留巷段輔助加強支護方案

由于沿空留巷頂板受多次采動影響，頂板活動比較劇烈，因此需要對該段進行增強支護，結合現(xiàn)場巷道狀況，采用單體液壓支柱進行增加支護。根據該工作面生產地質狀況和行業(yè)規(guī)程要求，在工作面后100～120 m范圍內鋪設傾向架棚，傾向架棚由單體液壓支柱和一字鉸接頂梁組成，每排3根，間排距均為1.0 m，在工作面前方25～30 m范圍內安設傾向架棚，傾向棚子由單體液壓支柱和鉸接梁組成，每排4根，間排距為800 mm×1000 mm，同時在充填支護墻體采空區(qū)側安設擋矸支架作為臨時支護。單體液壓支柱加強支護如圖5所示。

圖5 留巷段輔助加強支護

2.3 充填支護墻體成型技術

為了增加充填體的承載能力和抗橫向變形能力，在充填體內布置對拉錨桿加固充填體，對拉錨桿間排距為900 mm×900 mm，最下面1根距底板250 mm，最上面1根距頂板250 mm，對拉錨桿采用?20 mm螺紋鋼材料制作，托盤規(guī)格(長×寬×厚)為150 mm×150 mm×10 mm。采用?14 mm圓鋼焊制的鋼筋梯子梁，鋼筋網要求使用?6.5 mm鋼筋加工，使用12#鐵絲雙股聯(lián)網，鋼筋網搭接部分不小于100 mm。充填體加固方案如圖6所示。

圖6 充填支護墻體成型及加固方案

2.4 位移監(jiān)測

對巷道圍巖位移進行監(jiān)測，每隔10 m記錄一次充填體側頂?shù)装逡平俊⑾锏乐胁宽數(shù)装逡平亢蛢蓭鸵平俊Ｏ锏绹鷰r位移監(jiān)測結果如圖8所示。

由圖8可知，采用充填墻體支護后，巷道頂、底板相對位移量較煤幫相對位移量要大，而從整體數(shù)值來看，數(shù)值變化量不大，說明圍巖整體的絕對移近量不大。由此可以推斷，充填支護墻體對上覆巖層起到了較好的支撐作用，有效防止了圍巖松動圈的進一步擴大。

根據巷道位移數(shù)據的分析，可以將圍巖的變形分為4個階段：圍巖的變形首階段為0～20 m范圍，此范圍內充填支護墻體凝結時間短、強度處于成長階段，受采動影響變形劇烈；圍巖變形第2階段為20～55 m范圍，此范圍內充填支護墻體發(fā)揮了承載作用，充填支護墻體利用自身強度切斷了基本頂，巷道四周的應力改變后再分布，變形趨向穩(wěn)定；巷道變形的第3段為55～115 m的范圍，上位頂板被充填支護墻體切斷后，圍巖應力重新分布，此時上位巖層在采空區(qū)冒落矸石、充填支護墻體和巷內支護的共同作用下趨于穩(wěn)定；圍巖變形第4階段為120 m以后，此階段頂板活動趨于穩(wěn)定，圍巖變形速度較小、變形量也較小，為留巷穩(wěn)定階段。

圖8 留巷后圍巖變形與工作面距離的關系

3 主要結論

(1)通過礦壓監(jiān)測結果分析，得到了該留巷圍巖的變形規(guī)律，即在該面后方26～51 m范圍內，頂板活動強烈，圍巖壓力顯現(xiàn)明顯。在采煤面后方50～120 m范圍內，上覆頂巖及煤幫應力重新分布，頂板活動趨于穩(wěn)定。在工作面后方120 m后，屬于留巷穩(wěn)定階段。

(2)薄煤層開采過程中，使用沿空留巷技術，可以大幅度改善采掘接替的關系，提高煤炭資源的回收率。