高水充填技術在下行開采沿空留巷中的應用

常利軍

【摘 要】 文章針對煤礦下行開采中圍巖應力集中、巷道支護困難的問題，基于對沿空留巷圍巖活動規律及受力分析和高水速凝材料巷旁充填工藝的特點，在某礦2304工作面軌道順槽采用了高水充填沿空留巷技術。現場實測結果表明：下行開采沿空留巷中頂底板和兩幫相對移近量分別為86mm和112mm，有效控制了巷道圍巖變形，為巷道安全復用提供了保證。

【關鍵詞】 高水速凝材料;巷旁充填;沿空留巷;圍巖變形

【中圖分類號】 TD353 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）01-0011-03

沿空留巷技術屬于無煤柱開采技術，具有高煤炭回采率、可緩解采掘接替緊張、優化通風系統和消除煤柱應力集中等優點，近年來在我國各大礦區得以廣泛應用。下行開采沿空留巷時，下位煤層頂板巖層結構和應力環境受上位煤層采動影響而發生變化，為巷道圍巖控制造成困難。高水速凝材料巷旁充填憑借支護阻力大、增阻速度快、機械化程度高及可與頂板下沉相適應等特點，成為了一種十分理想的沿空留巷巷旁支護材料。某礦2304工作面軌道順槽位于2#煤層采空區下方，為了解決該礦下行開采中圍巖應力集中、巷道支護困難等難題，在2304工作面軌道順槽進行了高水速凝材料巷旁充填沿空留巷試驗。

1工程概況

2304工作面位于3#煤層2采區左翼，井下標高+740～+800m，平均標高+770m;地面標高+1201～+1354m，平均標高+1277.5m。3#煤層厚度1.84～3.06m，平均厚度2.45m;煤層傾角2°～12°，平均傾角7°。3#煤層結構簡單，賦存穩定，為全區可采煤層。3#煤層與上位2#煤層平均間距3.06m。2304工作面頂底板情況如圖1所示。

2304工作面北鄰2302工作面采空區，南為2306工作面（設計開采），東為二采區皮帶巷，西為井田邊界。工作面布置情況如圖2所示。在2304工作面回采結束后，將2304軌道順槽保留下在2306工作面回采時作為進風順槽復用，以減少巷道掘進量，提高工作面生產效率。

2下行開采頂板巖層活動及巷旁充填體作用分析

近距離煤層下行開采時，上位煤層回采期間及回采后形成的應力集中區對下位煤層頂板巖層造成一定程度的損傷，且該損傷按一定的規律由上向下傳遞。在下位煤層回采期間，其礦壓顯現因受上位煤層回采和本煤層回采而更加劇烈和復雜。此外，在工作面回采初期，其頂板小部分巖層率先發生垮落，而隨工作面推進距離增大到一定程度后，其頂板才會發生巖層整體破斷和垮落。雖然，下位煤層頂板因上位煤層回采而發生損傷和破壞，但研究表明此時的巖層仍表現出良好的力學連續性，故在下位煤層回采時仍可將其頂板作為彈性薄板進行分析。對于采空區頂板而言，在其發生巖層整體破斷前可將頂板巖層視為四邊固支薄板，且隨工作面推進，頂板巖層先沿薄板的長邊破斷，繼而沿其短邊破斷，最后在其中部產生拉裂紋，最終頂板巖層形成“O-X”式破斷。

由于巷旁充填體具有早期強度高和增阻速度快等特性，且隨工作面推進而構筑，因而通過在巷道采空區側構筑充填體，可有效防止巷道頂板沿長邊發生破斷和離層的發生，繼而防止其發生進一步的破壞。另外，受工作面推進影響，巷道基本頂發生破斷、失穩和沉降，因此務必確保巷旁充填體支護阻力在基本頂破斷時達到切頂阻力而將采空區側基本頂切斷，達到降低巷旁充填體載荷的目的。此外，巷旁充填體具有一定的可縮量，能較好地適應頂板巖層達到新平衡之前發生的沉降變形。

3高水速凝材料巷旁充填工藝

3.1充填設備的選擇

高水速凝材料的輸送形式可分為兩類：即風力輸送與水力泵送。風力輸送距離短，一般只有100～200m，工人勞動強度大，工作環境灰塵多，且風力輸送在充填點加水，水量控制困難，往往造成巷旁充填體各部分強度高底不一，影響整體澆筑效果。水力泵送與風力輸送相比具有許多優點，見表1所示，因此選用水力泵送高水速凝材料。

高水速凝材料的甲料和乙料兩部分必須等量進漿、混合均勻，其強度才能達到最大，傳統泵由于兩側注漿泵不能同時進行進漿和出漿工作，且注漿量不同，而導致兩種料漿不能等量進漿和攪拌不均勻。因此，本文采用了2ZBSB8～1.1/6-22型礦用雙液變量注漿泵，該泵雙缸相互獨立，通過兩個吸排口能按照1∶1的比例同時進行甲料和乙料的注漿，其基本性能指標如表2所示。

3.2充填工藝

高水速凝材料巷旁充填基本工藝流程如圖3所示。

該充填系統主要由井下充填泵站、輸送管路和充填點3部分組成。首先，將當天所需甲料和乙料分別存于充填泵站;然后將甲料和乙料分別在1#、2#和3#、4#攪拌桶中攪拌（5#、6#攪拌桶為備用），且當1#和3#攪拌桶供漿時，給2#和4#攪拌桶加水并上料。在充填點，根據巷內已構筑完畢的充填體對充填空間進行快速定位，并對所充填區域的頂板進行臨時支護，將浮煤清理完畢后，將合適的充填袋放在鋼筋網內并將其聯接好，然后穿上對拉鋼筋，并將單體支柱打牢。完成上述工作后，由專人對工程質量進行檢查，在充填泵站操作人員收到工程質量合格可進行充填作業的信號后開始啟泵充填。充填點設專人對出料口流出料漿進行觀察，確保所流出料漿為攪拌均勻的甲、乙混合料漿后，將混合管插入充填袋內進行正式充填。

4巷內支護

4.1巷內基本支護

2304軌道順槽位于2#煤層采空區下方，由于3#和2#煤層層間距為3.06m（<4m），屬極近距離煤層下行開采。上位2#煤層的回采導致3#煤層頂板巖層破壞，完整性降低，在3#煤層回采過程中極易在超前支撐壓力作用下發生冒頂危險。基于此，2304軌道順槽采用U型鋼梯形棚+錨桿+短預應力錨索進行支護，具體支護方案如圖4所示。

4.2巷內加強支護

基于沿空留巷圍巖變形規律，在沿空留巷巷內基本支護的基礎上，分超前支護、充填點臨時支護和工作面后加強支護三階段對沿空留巷圍巖進行巷內加強支護，具體如圖5所示。

超前加強支護。首先，采用3.6m的π型梁+單體柱按照“一梁三柱”的布置方式對2304綜采工作面端頭進行支護;其次，在巷道兩側超前工作面25m范圍內各安裝2組ZT2×3200/15/30型超前支護支架，在超前工作面25～30m范圍內采用3.6m的π型梁+單體柱按照“一梁三柱”的布置方式進行超前支護。

充填點臨時支護。工作面機尾頂板采用鐵絲網+W鋼帶+φ20×2200mm螺紋鋼錨桿+鐵餅壓網進行支護;拉移排頭支架后，采用1m的π型梁+單體支柱以“一梁二柱”的布置方式對排頭支架尾部至采空區側2.7m范圍內的頂板進行臨時支護;另外，采用相同的π型梁+單體支柱以“一梁三柱”的布置方式對支架尾部進行支護。

工作面后方加強支護。為保證開始階段巷旁充填體結構完整，對采用單體柱按照800×100mm的間排距（共布設4排）對工作面后150m范圍內進行加強支護。

5留巷效果分析

為了掌握采用高水速凝材料沿空留巷期間，2304軌道順槽圍巖變形情況，在沿空留巷開始20m處且隨后每隔20m設置一個測站（共設置5個測站），對沿空留巷100m范圍內的圍巖相對移近量進行觀測，結果表明：沿空留巷頂底板相對移近量最大值為102.36mm，兩幫相對移近量最大值為84.24mm，沿空留巷圍巖變形控制效果顯著，符合下行工作面安全復用要求。

6結語

文章分析了沿空留巷圍巖活動規律及受力情況，基于巷旁充填體作用機理提出了高水速凝材料巷旁充填沿空留巷技術，并給出了具體充填設備和工藝流程;

結合2304軌道順槽實際工程地質條件和支護情況，提出分超前支護、充填點臨時支護和工作面后加強支護三階段對沿空留巷圍巖進行巷內加強支護，并給出了具體支護方案。

【參考文獻】

[1]郝立賓，楊永康.大采高綜采工作面高水材料沿空留巷試驗[J].山西煤炭，2020，40（1）：30-34.

[2]張青春.堅硬頂板沿空留巷巷旁充填體合理寬度確定研究[J].山西能源學院學報，2019，32（6）：10-12，15.

[3]苗鵬.綜采工作面高水充填沿空留巷技術應用實踐[J].能源技術與管理，2020，45（3）：92-94.

[4]王龍.巷旁充填沿空留巷技術在綜放工作面的應用研究[J].山東煤炭科技，2020（6）：15-17，23.

[5]韓俊效，馬晉民，石晉松，等.大寧煤礦階段式高水材料充填沿空留巷技術應用研究[J].煤炭工程，2020，52（4）：6-11.

[6]呂林尊.深部煤層綜采工作面高水材料沿空留巷技術[J].山東煤炭科技，2020（2）：35-36，39，43.

[7]金珠鵬.沙坪礦近距離煤層開采覆巖運動規律及圍巖變形機理研究[D].北京：中國礦業大學，2018.

[8]徐青云，譚云，黃慶國.近距離煤層群下行開采底板應力分布規律研究[J].煤炭工程，2019，51（8）：89-92.

[9]彭高友，高明忠，呂有廠，等.深部近距離煤層群采動力學行為探索[J].煤炭學報，2019，44（7）：1971-1980.

[10]劉敬佩.高水材料巷旁充填技術在沿空留巷的應用[J].江西煤炭科技，2019（2）：170-172.

[11]曹王建.綜采工作面沿空留巷巷旁充填體合理寬度研究[J].山西能源學院學報，2019，32（4）：6-8.

[12]張友誼.平煤二礦沿空留巷綜合控制技術研究[J].煤炭工程，2012（6）：46-48.