二切巷充填圍巖控制技術(shù)及應(yīng)用

李耀暉

（1.大同煤礦集團(tuán)大斗溝煤業(yè)有限公司，山西大同037026；2.中國礦業(yè)大學(xué)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京100083）

1 工程概況

大斗溝礦三盤區(qū)8201 工作面，水平標(biāo)高886～906m，走向長度1 368～1 380m，可采走向長度1238m，傾斜長度180m，煤層傾角1°～5°，平均傾角3°。8201 工作面中部有傾向長度0～90m，走向長度260m 的煌斑巖地質(zhì)構(gòu)造，原開采設(shè)計(jì)方案為工作面推進(jìn)至煌斑巖時(shí)，跳過該區(qū)域，搬家至已開掘的二切眼進(jìn)行回采，但在該工作面兩順槽掘進(jìn)揭露后，結(jié)合最新地質(zhì)條件決定放棄搬家方式，采用正常回采的方式通過煌斑巖地質(zhì)構(gòu)造。二切眼布置已經(jīng)完成，尺寸為180m×7.7m×3.1m（長×寬×高），由于斷面較大，為保證工作面通過二切眼期間各項(xiàng)回采工作的順利進(jìn)行，減少礦壓帶來的影響，二切巷圍巖控制技術(shù)亟需解決[1-2]。

2 充填技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)確定

工作面回采過程中，上覆巖層隨著工作面推進(jìn)下沉、周期性垮落，當(dāng)工作面推進(jìn)遇到空巷時(shí)，空巷圍巖已處于塑性或破裂狀態(tài)，空巷盡管進(jìn)行了錨網(wǎng)等加固，但難以承受工作面推進(jìn)到此帶來的超前支承壓力，頂板和圍巖的破壞與原始狀態(tài)相比破壞勢必更加嚴(yán)重，很可能造成冒頂、片幫等問題。故工作面推進(jìn)過程中過空巷問題，需要采取更有利、有效的措施，結(jié)合國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，粉煤低水速凝材料充填空巷的方法是工作面過空巷的一種安全、高效、經(jīng)濟(jì)的方法[3-4]，可以達(dá)到過空巷的減災(zāi)效果。能否成功應(yīng)用此技術(shù)，充填物的配比和最終強(qiáng)度是關(guān)鍵，需要對充填物力學(xué)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

2.1 充填物力學(xué)實(shí)驗(yàn)

為獲得不同配比水泥末煤試樣的單軸抗壓強(qiáng)度，為大斗溝礦三盤區(qū)山2#層8201 工作面二切眼充填材料提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開展水泥末煤的配比試驗(yàn)，并利用巖石三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。采用普通硅酸鹽425#水泥、末煤、速凝劑和水進(jìn)行配比試驗(yàn)，其中末煤通過0.8mm 篩孔，試驗(yàn)?zāi)K按照《混凝土試模》JG237 的規(guī)定制作為70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方體，24h 后脫模，在室內(nèi)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)5d。模塊的具體配比方案如表1 所示：

表1 模塊配比方案

養(yǎng)護(hù)5d 后的試樣形態(tài)詳見圖1。

圖1 脫模后試樣形態(tài)

利用TAW-1000kN 微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的規(guī)定進(jìn)行。采用位移控制模式，加載速率控制在0.02mm/s。試樣抗壓強(qiáng)度結(jié)果如下：方案一～方案九試樣抗壓強(qiáng)度分別為1.958、3.620、4.742、3.995、4.510、5.717、3.672、3.530、3.189MPa，為工作面二切眼充填材料的選擇提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 充填體穩(wěn)定性研究

結(jié)合《充填材料及其強(qiáng)度研究》等相關(guān)文獻(xiàn)可知[5]：當(dāng)采用局部充填法開采時(shí)，采空區(qū)內(nèi)除直接頂冒落外，基本頂一般不冒落，但隨著充填體兩側(cè)頂板垮落，垮落高度范圍內(nèi)的覆巖重量基本上由充填體來承擔(dān)。由于冒落矸石不接頂，所以采空區(qū)矸石并不承載。假定充填體上受到的載荷相同，充填體強(qiáng)度也相同，則可以利用有效面積理論來計(jì)算充填體載荷，其計(jì)算過程如式（1）：

式中：b為充填體寬度，m；c為充填間距，m；K為充填間距與充填體寬度的比值,K=c/b；為覆巖的體積力，MN/m3；H為關(guān)鍵層以下巖層厚度，m。

對局部充填開采時(shí)充填體的穩(wěn)定性研究與條帶開采法時(shí)煤柱穩(wěn)定性計(jì)算相似。煤柱強(qiáng)度的計(jì)算公式，最常用的有：Obert-Dwvall/Wang(歐伯特- 德沃/王)公式(適用于寬高比為1～8 的煤柱)、Holland(浩蘭德)公式(適用于寬高比為2～8 的煤柱)和Bieniawski(比涅烏斯基)公式。煤柱的強(qiáng)度與尺寸有很大關(guān)系，尺寸越小強(qiáng)度越高，隨著尺寸的增加，強(qiáng)度逐漸變小，直至一個(gè)漸進(jìn)值，稱之為強(qiáng)度下限，強(qiáng)度下限一般認(rèn)為可代表煤柱的強(qiáng)度，因此，一般可將實(shí)驗(yàn)室所測出來的偏大的強(qiáng)度通過公式（2）來確定強(qiáng)度下限的值：

式中：σm為立方體煤柱的原位強(qiáng)度，MPa；σc為實(shí)驗(yàn)室試樣的平均單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；D為實(shí)驗(yàn)室圓柱體試樣的直徑或立方體試樣的邊長，m。

由上一小節(jié)可知，本次實(shí)驗(yàn)的立方體試樣的邊長為0.077m，平均單軸抗壓強(qiáng)度為0.99MPa，代入此公式得到原位強(qiáng)度為0.290MPa。

結(jié)合本二切巷充填體的寬度b 為6.5m，高度h為3.1m，寬高比為2.097＜5，所以n=1，則現(xiàn)場實(shí)際充填體的整體強(qiáng)度可按以下公式（3）得出：

式中，σc為試驗(yàn)室充填體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；b為充填體寬度，m；h為充填體高度，m；σp為充填體強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)極限強(qiáng)度理論，要保持充填體的穩(wěn)定性，一般應(yīng)有1.5～2.0 倍的安全系數(shù)，對煤礦局部充填取2.0，可得到保持充填體長期穩(wěn)定性對試驗(yàn)室充填試塊的強(qiáng)度要求：

式中：充填體寬度b=6.5m，充填體高度h=3.1m，K為充填間距與充填體寬度的比值,K=c/b=1.2/6.5=0.18，覆巖體積力γ為0.026MN/m3，覆巖厚度H=112.20m。代入數(shù)據(jù)可以求得σc≥4.128MPa。

故若要保持充填體的穩(wěn)定性，則理論計(jì)算充填試塊的強(qiáng)度不得低于4.128MPa。

2.3 充填強(qiáng)度數(shù)值模擬計(jì)算

利用FLAC3d 數(shù)值模擬軟件，建立8201 工作面二切眼地質(zhì)數(shù)值模型，模擬開挖二切眼后，圍巖應(yīng)力場、塑性區(qū)和位移場的變化情況，進(jìn)而為充填強(qiáng)度及其他提供有力參考依據(jù)。

1）應(yīng)力場分布規(guī)律。

圖2 FLAC3d 地層最大剪應(yīng)力云圖

圖3 FLAC3d 垂直應(yīng)力云圖

從應(yīng)力場模擬結(jié)果來看，二切眼開挖后，圍巖出現(xiàn)了一定的破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，二切巷頂板剪應(yīng)力2.0～3.0MPa，底板剪應(yīng)力1.0～2.0MPa，頂板剪應(yīng)力普遍大于底板。二切巷圍巖剪應(yīng)力最大位置在二切眼與工作面巷道交叉處，最大值為6.3MPa，在該處極其容易剪切變形破壞，應(yīng)在此加強(qiáng)支護(hù)。

2）塑性區(qū)變化規(guī)律。

圖4 FLAC3d 地層塑性區(qū)云圖

模擬結(jié)果表明，二切巷的開挖對關(guān)鍵層未造成影響，關(guān)鍵層未出現(xiàn)塑性破壞，關(guān)鍵層很好的支撐上覆巖層，但二切巷周圍的煤層和頂板出現(xiàn)了塑性破壞，破碎區(qū)和塑性區(qū)在3～5m，故圍巖應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，防止圍巖脫落或者冒頂。

3）位移場分布規(guī)律。

圖5 FLAC3d 開挖后地層位移梯度云圖

從模擬結(jié)果可以看出，二切巷開挖后頂板出現(xiàn)一定程度的下沉，直接頂最大下沉量為100～128mm，多數(shù)下沉量在40～60mm 之間。故二切眼要加強(qiáng)直接頂?shù)奈灰票O(jiān)測，同時(shí)要加強(qiáng)支護(hù)防止冒頂。另外可以看出開挖后直接頂下縱深可直達(dá)老頂范圍，5 倍巷道跨距外下沉量基本為0，所以數(shù)值模擬計(jì)算要求開挖后及充填都要達(dá)到煤體強(qiáng)度不得低于5MPa 的強(qiáng)度。

3 方案選擇及效果檢驗(yàn)

3.1 充填物方案選擇

結(jié)合上一小節(jié)內(nèi)容，理論計(jì)算和數(shù)值模擬計(jì)算得出二切巷充填物的強(qiáng)度不小于4.128MPa 和5MPa，最后綜合判斷充填強(qiáng)度應(yīng)大于5MPa，又結(jié)合上一小節(jié)充填物試驗(yàn)結(jié)果可知，強(qiáng)度大于5MPa 的為方案六，即水泥：末煤：速凝劑：水的材料比值為1∶3.2∶0.04∶0.6，充填抗壓強(qiáng)度為5.717MPa，滿足要求。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用及效果檢驗(yàn)

利用“十字交叉法”測量二切巷圍巖變化情況，從2019 年10 月25 日-12 月25 日煤體填充施工全部結(jié)束，礦壓觀測主要在煤體填充前1 個(gè)月、填充期及填充后1 個(gè)月進(jìn)行，針對性的統(tǒng)計(jì)分析二切眼內(nèi)巷道下沉情況。觀測數(shù)據(jù)顯示最大下沉量為50mm。在開采距離二切眼5m 內(nèi)，二切巷內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯片幫。二切巷內(nèi)日常觀察實(shí)拍如圖6 所示。

圖6 二切巷內(nèi)日常觀察實(shí)拍圖

圖7 二切巷內(nèi)充填體實(shí)割圖

開采通過填充區(qū)域時(shí)，工作面受動壓、上覆巖石運(yùn)移對頂板破碎、煤壁片幫的影響較小，并未發(fā)現(xiàn)明顯的壓力變化，工作面于2020 年1 月13 日-1 月17日順利通過二切巷。實(shí)踐證明，通過有效充填使得充填體能有效的支撐頂板不下沉，釋放了部分超前支承壓力，下部頂板在工作面來壓前即形成了一定的承載結(jié)構(gòu)，使得工作面推進(jìn)過后，來壓并不強(qiáng)烈。采煤機(jī)能夠順利地進(jìn)行采煤，安全地回采了整個(gè)工作面。

4 結(jié) 論

三盤區(qū)8201 工作面二切巷由于尺寸較大，不采取措施工作面通過時(shí)極可能產(chǎn)生冒頂、片幫等災(zāi)害情況，通過國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論計(jì)算、數(shù)值模擬和工程應(yīng)用，對8201 工作面二切巷進(jìn)行粉煤低水速凝材料充填，從效果上看，二切巷圍巖控制效果良好，工作面通過時(shí)無片幫等災(zāi)害發(fā)生，對煤礦經(jīng)濟(jì)、安全效益、可持續(xù)發(fā)展做出實(shí)質(zhì)的貢獻(xiàn)，也為礦井煤體再造技術(shù)提供了參考依據(jù)。