深部礦井綜采工作面巷旁充填留巷技術研究

馮志龍

【摘 要】 深部礦井普遍存在采掘接替緊張局面，將沿空留巷技術應用到深部礦井中可在一定程度上提高礦井煤炭開采效率以及安全保障能力。文章以13207綜采工作面回采為工程實例，提出使用巷幫充填留巷技術將回風巷保留下來為鄰近采面服務，依據開采煤層實際情況對充填留巷施工方案進行設計，現場應用后充填留巷段圍巖取得較好控制效果，巷道可滿足采面煤炭開采需要的同時在經濟以及安全性方面均取得較好效益。研究結果表明：1）巷旁充填留巷技術應用過程中通過超前補強錨索降低采動壓力給留巷段頂板影響，降低了留巷段頂板下沉量;2）充填留巷過程中通過合理確定添加劑使用量實現了混凝土長距離泵送，從而滿足長距離留巷需要，充填段頂板錨網索以及充填墻體等共同作用可實現留巷段頂板的有效控制，使用掩護支架可為充填留巷作業提供相對安全環境;3）采用膜袋進行巷旁充填可適應井下復雜環境，同時在采空區內無需施工模板，提高了充填效率以及安全保障能力。研究成果可為其他礦井類似條件下充填留巷工作開展提供經驗借鑒。

【關鍵詞】 深部開采;沿空留巷;巷旁充填;圍巖控制

【中圖分類號】 TD353 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）05-0001-03

沿空留巷可提升煤炭開采效率并可緩解礦井采掘接替緊張局面，具有顯著的經濟效益。為充分發揮巷旁充填留巷技術優勢，應重點解決下述兩個方面內容：巷旁充填體應具有較強的可靠性，除提供足夠的支護阻力外還應適應頂板巖層壓力變化，不容易出現變形以及漏風等問題;巷旁充填施工應現代化，滿足采面快速推進回采需要。為此，文中以山西某礦13207綜采工作面回風巷巷旁充填沿空留巷為工程背景，對巷旁充填留巷技術進行探討。

1 工程概況

1.1 地質條件

13207綜采工作面底板埋深平均為820m，屬于深部開采范疇，主采13#煤層，煤層厚度3.6m、傾角5°，賦存穩定，煤層原始瓦斯含量10.5m3/t，自燃發火傾向性為I類，發火周期最短為30d。13207綜采工作面設計走向推進1603.5m、傾向斜長180m，開采高度平均3.6m。13#煤層頂底板巖性以泥巖、細砂巖為主，具體見表1。

1.2 巷道原支護方案

13207回風巷為矩形斷面（凈寬×凈高=5.0m×3.6m），采用錨網索支護方式，具體支護參數為：頂板采用螺紋鋼錨桿（φ20mm×2400mm）、鋼帶（寬×長=80mm×4800mm）、金屬網（網孔50mm×50mm）以及錨索（φ17.8mm×6200mm）聯合支護。頂板錨桿每排6根，間距900mm、排距1000mm，靠近巷幫的兩根頂錨桿外插30°角、其余垂直頂板;頂板錨索每排5根，靠近巷幫的兩根錨索外插30°。巷幫用螺紋鋼錨桿（φ20mm×2400mm）、金屬網（長×寬=2000mm×1000mm）、鋼帶（寬×長=80mm×100mm）進行支護，巷幫每排布置5根錨桿且均垂直布置。

2 巷旁充填留巷關鍵技術

2.1 緩凝早強混凝土

受到井下空間、巷旁充填位置等諸多因素制約，充填混凝土需要進行長距離泵送，因此需要混凝土具有一定緩凝性;為了及早實現充填體對頂板支撐，承受頂板壓力，使用的混凝土應具備一定的早強特征。現階段一般通過各種添加劑來調整混凝土特性，從而達到現場泵送以及灌注需要。在13207回風巷留巷前即通過試驗合理確定添加劑使用量，確保混凝土在12h內抗壓強度即可達到5.8MPa以上，24h強度可達到10MPa以上。在巷旁充填24h即可前移掩護支架。

2.2 充填材料遠距離泵送

13207綜采工作面平均推進速度為4.0m/d，推進速度較快，而回風巷留巷充填工序復雜、需要材料多、輔助運輸工作量大，若充填、施工或者其他任一環節出現問題均會制約采面推進。由于巷旁充填施工點空間狹小，而混凝土上料、攪拌等均需要較大的空間，為此將巷旁混凝土充填、混凝土攪拌等分開進行，避免工序相互干擾。攪拌完成后的混凝土使用專用管道、混凝土泵進行泵送。充填材料遠距離泵送即可滿足巷旁充填需要、降低巷旁充填對采面生產影響，而且可減少充填點作業人員數量。

2.3 頂板補強加固

為確定巷旁充填施工點頂板巖層穩定，采用錨索超前采面對回風巷頂板進行補強支護;在采面后方使用掩護支架為充填段頂板錨桿、錨索以及金屬網等鋪設提供相對安全環境，具體見圖1所示。在充填段頂板錨網索、充填混凝土等綜合作用下確保留巷段頂板巖層穩定。

3 巷旁充填留巷技術方案

根據前文分析成果，提出使用頂板強化支護、巷旁膠結體充填相結合方法對留巷段圍巖進行控制。具體13207回風巷頂板補強支護以及充填布置見圖2所示。

3.1 頂板補強支護

13207回風巷在原有支護基礎上，超前采面50m使用錨索補強支護。具體補強使用的錨索規格為φ17.8mm×6200mm，沿著巷道縱向布置2排，間距2000mm、排距950mm;兩排錨索距離采空區巷幫間距分別控制在450mm、1400mm。補強支護的錨索采用由GDII140/20鋼帶制作的錨索梁進行連接。

在巷旁充填體頂板上覆采用錨桿、錨索支護，支護參數與巷道頂板原支護參數一致。

3.2 巷旁充填

3.2.1巷旁充填方案

巷旁充填使用的膜袋沿著巷道縱向方向長3000mm、深入到采空區內4100mm、最大充填高度為4000mm。在采空區幫一側采用木柱、單體通過交錯布置進行護巷，木柱、單體交錯間距控制在500mm;在距離采空區幫800mm位置按照1500mm間距布置一排單體。將膜袋懸掛到充填段頂板金屬網上，并向膜袋內灌注充填材料，充填材料中矸石、水泥、水、粉煤灰配比為69∶9∶20∶2。膠結后充填袋內充填體抗壓強度可達到4MPa以上。

3.2.2充填工藝

每班安排一組人員進行巷旁充填工作，具體巷旁充填工藝流程為：地面水泥、破碎矸石運輸井下→混凝土攪拌制作→混凝土泵送→膜袋充填。在綜合考慮充填材料運輸、攪拌空間、管道鋪設以及通風排水等后，決定在13207工作面鄰近的13209開切眼內布置混凝土泵站，具體充填路線見圖3所示。

4 留巷效果分析

留巷段圍巖變形監測結果見圖4所示。

從圖4中看出，隨著測點滯后采面距離增加，充填留巷段巷道圍巖變形呈現緩慢變形、快速增加以及基本穩定等三個階段。第一階段為在滯后采面10m范圍，此階段內巷道圍巖變形整體較小;第二階段為滯后采面60m范圍內，在此階段頂板、巷幫變形量均快速增加，在本階段后期隨著與采面距離增加，頂板、巷幫變形量增加速度也明顯降低，此階段頂板、巷幫變形量分別為300mm、230mm;第三階段為滯后采面60m以外范圍，此階段隨著與采面距離增加圍巖變形量基本保持穩定。在13207回風巷采用巷旁充填、頂板補強支護等方式后，可滿足留巷段圍巖控制需要，最終留巷段斷面可達到原巷道斷面88%以上，可滿足后期通風、行人等需要，取得較好留巷效果。

13207工作面從2020年1月開始進行回采、回風巷充填留巷工作，至同年12月回風巷留巷工作結束，其間共留巷長1530m，留巷段每米可直接創造經濟效益約8000元，通過留巷總體可獲取至少1200余萬元經濟效益。

5 結論

采用緩凝早強混凝土作為充填材料構筑混凝土墻，具體充填材料中矸石、水泥、水、粉煤灰配比為69∶9∶20∶2，將膜袋作為巷旁充填模板，提高充填安全性以及施工便捷性。同時，采用錨索對巷道頂板進行補強，采面后方留巷段作業人員均在掩護支架掩護下工作，安全系數較高。

現場應用后，巷旁充填留巷可滿足采面快速回采需要，留巷段頂板、巷幫變形量分別控制在305mm、239mm以內，留巷段斷面達到原巷道斷面88%以上;13207回風巷留巷長度共計1530m，實現了長距離留巷目標，同時礦井通過充填留巷可獲取至少1200萬元經濟效益。

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