高水充填材料在綜采工作面沿空留巷中的應用

黃華

（山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

沿空留巷因能夠減少煤柱損失、降低巷道掘進率、減少礦井開采成本，目前在我國煤礦井下開采中應用比較廣泛[1-2]。在沿空留巷技術中，傳統的巷旁支護大多采用的是膏體混泥土充填方式，而該充填支護方式存在施工工藝工序復雜、留巷支護效果差、巷道頂底板變形量大等問題[3-4]。為此，本文以山西晉神能源有限公司沙坪煤礦9203工作面沿空留巷為工程背景，提出高水材料巷旁充填支護技術。現場應用實踐結果表明，該充填支護方式能夠有效解決上述問題，為類似條件下綜采工作面沿空留巷巷旁充填支護提供參考。

1 概 況

沙坪煤礦9203工作面位于井下9號煤層南翼采區，工作面地面標高+1 012—+1 139 m，煤層底板標高+876.0—+882.2 m。9203工作面輔運順槽設計長度為1 491 m，矩形斷面，沿底掘進，掘進寬度5.9 m，掘進高度3.7 m，掘進斷面積21.83 m2。巷道煤層厚度3.3～5.1 m，結構簡單，煤層夾矸為1層，巖性為炭質泥巖，厚度為0.1～0.2 m。9203工作面在回采過程中將其輔運順槽進行留巷作為9202工作面回風順槽，留巷段長度約1 062 m。9203工作面通風方式原為U型通風，沿空留巷后調整為兩進一回Y型通風。留巷基本方式為在采動影響區域外采用補強錨索支護—超前工作面切頂卸壓—工作面移架前提前掛網—在工作面推進后采用擋矸架進行擋矸支護—靠近采空區側澆筑充填墻體—采用單元架進行滯后加強支護。工作面布置如圖1所示。

圖1 9203工作面平面布置示意Fig.1 Layout of No.9203 Face

2 巷旁充填體作用機理及充填支護參數計算

2.1 巷旁充填體作用機理

根據工作面采空區周圍覆巖移動變化規律，工作面沿空留巷時巷道圍巖承載的應力載荷與巷道支護方式有關。通常情況下，在工作面回采后方20～40 m留巷巷道圍巖承載的支撐壓力較大，巷道圍巖會出現加速變形。當工作面出現周期來壓時，其后方采空區內的頂板巖層大致表現為弧形三角板失穩狀態[5-6]，在此期間，留巷內的巷道支護體因承載壓力增大而發生較大變形現象，為此在工作面進行沿空留巷時，需重點對工作面后方20～40 m的巷道進行加強支護。

沿空留巷巷旁充填支護的主要作用是控制留巷巷道圍巖的變形量，維持巷道穩定性。因此，巷旁支護體必須達到足夠的支護強度，以確保能夠對工作面采空區上方的頂板及巷道采空區側垮落的矸石起到一定的支撐作用，同時支護體還應具備一定的抗壓變形能力，以確保頂板圍巖在發生旋轉下沉時，保護支護體，將頂板產生的載荷作用力向工作面采空區一側進行轉移。

2.2 支護體支護參數計算

通常是在考慮巷道頂板達到極限狀態條件下，來設計計算沿空留巷支護體支護相關參數，即將煤層頂板承壓達到危險狀態條件時，巷道斷面作為截面，以此建立彈性基礎梁計算模型。隨著采煤工作面不斷向前回采推進，巷道頂板控頂范圍不斷增大，造成下位基本頂發生破斷、失穩現象。沿空留巷巷旁支護體提供的支撐阻力應能夠使基本頂沿著支護體側的彎矩達到極限值，從而使基本頂從巷旁支護體側發生破斷[7-8]。巷旁支護體與工作面巷道頂板之間相互作用形成的力學關系模型如圖2所示。

9203工作面近水平煤層，輔運順槽巷道沿煤層底板掘進，計劃留巷長度1 062 m，在巷旁支護體切頂板巖層前，支護體對AC段塊體支撐力為零，沿巖層方向受到的推力TC按公式（1）計算。

式中：α為煤層傾角，取0；L為AC段巖體長度，取順槽寬度5.9 m；q為AC段巖體單位長度達到的自身重力，取26 kN/m3；h為AC段巖體的厚度，取平均值6.3 m；SC為AC段巖體被剪切破斷時C端產生的下沉量，取0。

沿空留巷下側煤體支承壓力y和應力極限平衡區寬度x0計算式為：

式中：C0、φ0分別為煤層與其頂板和底板巖層交界面之間產生的粘聚力和內摩擦角，分別取1.35 MPa和20°；P x為實體煤側煤體支護阻力，取0.1 MPa；A為巷道產生的側壓系數，取0.4；M為工作面采高，取4.5 m；H為開采深度，取163 m；γ為工作面上覆巖層平均容重，取26 kN/m3；k為應力集中系數，取2。

采用平衡法分別對AB段巖體和BC段巖體建立力學方程，求得切頂阻力為：

式中：c為留巷寬度，取4.5 m；d為巷旁支護體寬度，取1.5 m；Pq為切頂阻力；M0為A端基本頂的殘余彎矩；q0為工作面煤層直接頂單位長度自重；ML為基本頂巖層的極限彎矩；SB為工作面基本頂在跨落前B端達到的下沉量。

SB可用公式（5）計算：

e為BC段巖體長度，其數值可用公式（6）計算：

式中：b為工作面基本頂初次來壓步距，取20 m；Lm為工作面切巷長度，取276 m。

據此計算可得9203工作面輔運順槽充填體的切頂阻力為15.6 MN/m。現場施工時，水灰比1.5∶1時，充填體平均強度10 MPa，則所需的充填體寬度理論計算值為1.56 m；水灰比0.8∶1時，充填體平均強度16 MPa，則所需的充填體寬度理論計算值為0.975 m；水灰比0.6∶1時，充填體平均強度22 MPa，則所需的充填體寬度理論計算值為0.7 m。

根據9203工作面輔運順槽頂板巖層情況，考慮安全系數，初步確定巷旁充填體寬度為1.5 m，高度為3.7 m，留巷后巷道寬度為4.5 m，充填墻體1.5 m置于輔運順槽。

3 充填系統及充填施工工藝

3.1 高水材料

高水材料是由甲料和乙料兩部分組成，按照1∶1或0.8∶1進行配比使用，在輸送過程中分別對甲、乙料進行加水攪拌，在充填點混合。在單獨對甲料和乙料進行攪拌及輸送過程中，2種材料均未出現凝固，當甲、乙料混合在一起后能夠快速產生凝固。通過改變添加水量或外加劑配方，調節高水材料混合凝結后形成的固結體抗壓強度，當高水材料配比的水灰比越小，在充填加固時形成的充填體強度就越高。在水灰比相同條件下，凝固時間越長，固結體強度越高，一般在凝固7 d后固結體基本達到終凝強度。

9203工作面輔運順槽高水材料充填體為密閉結構，寬度4.0 m，高度3.7 m，厚度1.5 m。礦壓顯現正常段，高水材料水灰比為1.5∶1，7 d后充填體材料抗壓強度約為10 MPa；礦壓顯現異常段，高水材料水灰比為0.8∶1，7 d后充填體材料達到的抗壓強度約為16 MPa。

3.2 充填系統及施工工藝

3.2.1 充填系統

根據高水材料的性能特征，結合其具體使用方法，先將甲、乙材料使用專用配制系統調配成漿液，再利用雙液泵將2種漿液分別通過管路輸送至需要充填的區域，在輸送到充填區域前將其進行混合，在進入充填區域后混合的漿液凝固后形成充填體。高水材料充填系統主要由制漿系統、輸送混合系統和充填系統3部分構成。制漿系統由甲、乙2條生產線組成，其布置方式基本相同，配制完成的單料漿分別放入相應的攪拌桶。輸送混合系統主要由雙液泵、輸送管路和混合器組成。當漿液制備完成后，開啟雙液泵，漿液通過輸送管路進入到待充填區域附近的混合器中，混合器將漿液充分混合后，通過混合管輸送到充填區域內。充填注漿系統設備配置如圖3所示。

圖3 注漿設備配置示意Fig.3 Grouting equipment configuration

3.2.2 充填工藝

沿空留巷起始位置位于9202工作面開切眼處，9203工作面推采到距9202工作面開切眼10 m處時，開始在架前鋪設金屬網。推采至距9202工作面開切眼5 m處，支設柔性模板，如圖4所示。

圖4 9203工作面沿空留巷起始位置充填體示意Fig.4 Starting position of gob-side entry retaining in No.9203 Face

（1）距9202工作面開切眼約15 m處，將擋矸支架拉到預定位置；距9202工作面開切眼10 m處時，開始在架前鋪設金屬網。

（2）當液壓支架后方頂板維護正常時，沿充填空間區域架設2垛木垛，距9202工作面開切眼約9 m。

（3）推采到距9202工作面開切眼5 m位置處，沿煤柱內掏槽，掏槽深度約0.5 m，寬度2.0 m，開始垂直于巷道走向施工第1模充填體，充填體厚度為1.8 m，長度為3.0 m，緊貼掏槽施工。

（4）繼續施工第2模橫向充填體，充填體厚度為1.8 m，長度為超過順向充填體位置即可。

（5）隨工作面推進，沿走向施工寬為1.5 m，長度為4.0 m的充填體，巷內加強頂底板支護，開始正常施工沿空留巷充填體。

4 應用效果分析

為觀測留巷巷道圍巖及充填體變形情況，自9203輔助運輸巷留巷開始前30 m位置布置第1個觀測站，在留巷過程中在巷道內每間隔50 m布置1個觀測站，采用“十”字觀測法、頂底板離層儀和液壓枕對巷道頂圍巖變形量和充填體載荷進行觀測。根據所布置的觀測站，選取較為典型的1號觀測站采集的數據進行分析，得到如圖5和圖6所示曲線圖。

圖5 留巷巷道圍巖變形曲線Fig.5 Deformation curve of gob-side entry retaining

圖6 充填體載荷變化曲線Fig.6 Deformation curve of filling body load

根據巷道圍巖位移變化曲線，分析可知工作面沿空留巷內，巷道圍巖變形可以分為3個階段：①留巷距工作面0～20 m，巷道圍巖變形量較小；②在距工作面20～100 m，巷道圍巖產生明顯變形，其中實體煤側頂底板移近量最大達到590 mm，充填體側頂底板移近量最大達到800 mm，兩幫移近量最大達到560 mm，巷道圍巖移近速率均表現為先增大后逐漸減小直至趨近于零；③在距工作面100 m以后，留巷巷道圍巖變形量極小，基本處于穩定狀態。

根據充填體載荷監測數據分析可知：①在留巷進入工作面后方0～40 m，充填體承載的載荷明顯增大，最大值達到10.5 MPa，基本和充填體的最終凝固后的強度一致；②在距工作面40～80 m，充填體載荷變化逐漸減小，達到7.5 MPa左右；③在距工作面80 m以后，充填體承載的載荷基本趨于平緩。

5 結 語

沿空留巷巷旁支護有多種方式，其中利用高水材料進行充填支護就是其中一種。通過對巷旁支護參數進行計算，確定了高水材料水灰比及充填體的體積和強度，為現場施工提供了理論指導。現場應用實踐表明，利用高水充填材料形成的充填體進行巷旁支護，留巷巷道圍巖變形量能夠得到有效控制，充填體強度能夠滿足巷道頂板載荷的支撐作用，留巷效果達到設計要求。高水材料的成功應用為類似條件下工作面沿空留巷巷旁支護提供了一定技術參考，具有較大的推廣應用價值。