干河煤礦中厚煤層高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)應用

劉文博

(山西安煤礦業(yè)設(shè)計工程有限公司,山西 太原 030006)

1 工程概況

山西霍寶干河煤礦有限公司2-301綜采工作面西北側(cè)為三采區(qū)3條系統(tǒng)大巷,西南側(cè)為實體煤,東北側(cè)為2-302綜采工作面(未掘),東南側(cè)300 m為實體煤。該工作面地表形態(tài)屬低山黃土丘陵,工作面地表大部為農(nóng)田耕地,黃土覆蓋厚度47.2～59.5 m,基巖厚度400.01～409 m.2-301工作面位于+80水平,主采2號煤層。2號煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組(p1s)上部,煤層厚度2.2～2.4 m,光澤較暗,主要由暗煤和亮煤組成,屬半亮型煤。硬度和韌度較大,節(jié)理不發(fā)育,視密度為1.40 t/m3.工作面整體為走向S63°W,傾向SE的背斜構(gòu)造,煤層傾角1°～6°,平均3.5°.2-301工作面回采期間將揭露H=0.6 m斷層,該斷層在2-3012巷揭露延伸至切巷,影響范圍預計為15 m.本工作面兩巷沿煤層走向布置,工作面沿煤層傾向布置。2-301回風巷長555 m,2-301運輸巷長473 m,切巷長140 m,可采走向長度445 m.2-301運輸巷、回風巷均沿2號煤層頂板破底掘進,巷道頂?shù)装鍘r層情況見表1.巷道斷面為矩形,采用錨網(wǎng)梁+錨索聯(lián)合支護,2-301工作面為2號煤層三采區(qū)首采工作面。為提高采區(qū)回采率、資源利用率,在2-301運輸巷進行巷旁充填沿空留巷技術(shù)實踐,為保障其圍巖穩(wěn)定性,對沿空巷道支護方案及礦壓特征進行研究。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 高水材料性能簡介

2.1 高水材料性能簡介

高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)經(jīng)七五和八五國家科技攻關(guān),材料本身和相關(guān)技術(shù)已經(jīng)完善,在陽煤集團、華潤煤業(yè)、沁新集團、徐州礦務(wù)集團、焦作、平頂山、兗州、窯街等多個礦務(wù)局現(xiàn)場實施后[1-2],留巷效果良好。高水材料分為甲、乙兩種漿料。甲料漿、乙料漿單獨與水混合24 h不凝結(jié),而甲料漿和乙料漿一旦相互混合則會快速凝結(jié)硬化[3]。

2.2 高水材料充填工藝流程

高水材料巷旁充填布置包括充填泵站與充填點兩部分。泵站可布置在不影響工作面回采、方便材料運輸、水電及通訊設(shè)施齊全、作業(yè)空間大、作業(yè)環(huán)境好的巷道或硐室內(nèi),具體位置與礦方共同確定。根據(jù)巷道已經(jīng)構(gòu)筑好的充填體快速定位好充填空間位置,并對充填空間區(qū)域頂板進行支護(根據(jù)頂板完整情況確定是否架設(shè)臨時支護),滿足安全要求后,進行清理浮煤與吊掛充填袋等工作。工作面應用高水材料充填時,設(shè)備規(guī)格型號為:2ZBYSB30090/515-55型雙液注漿泵、JDW-1000S型攪拌桶、高壓膠管等材料及設(shè)備。充填工藝流程如圖1所示。

圖1 高水速凝材料巷旁充填工藝流程圖

3 巷旁充填體合理寬度模擬分析

為研究巷旁充填寬度對沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律,對巷旁充填體的設(shè)計提供參考依據(jù),采用計算機仿真模擬軟件FLAC3D進行模擬研究[4]。基于2-301工作面工程背景,建立長、寬、高分別為60 m、60 m、40 m的立方體三維模型,對煤巖層網(wǎng)格劃分時進行非等分處理,沿空巷道附近進行網(wǎng)格細分,沿空巷道布置在模型中部,模型網(wǎng)格劃分如圖2(a)所示,模型埋深約為420 m,模型頂部加載10.45 MPa的垂直載荷,固定模型四周邊界法向位移,固定模型地面法向及切向位移,邊界條件如圖2(b)所示。

圖2 數(shù)值模型及邊界條件

巷旁充填體的設(shè)計與優(yōu)化不僅影響巷道圍巖的穩(wěn)定,同時對工藝經(jīng)濟效益、應用價值也具有重要影響,為對巷旁充填體合理寬度做出可靠評價,模擬過程分為以下幾個步驟:①三維模型建立完成后,施加位移、應力邊界條件,計算達到初始平衡狀態(tài);②進行2-301運輸巷的開挖與支護,開挖斷面寬×高=4.5 m×3.5 m,采用傳統(tǒng)錨網(wǎng)量+錨索支護,然后進行求解;③進行工作面的分段開挖,每次開挖進尺3 m,同時,對2-301運輸巷旁充填,巷旁充填寬度分別為1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m.模擬計算完成后,監(jiān)測沿空巷道及充填體變形情況,最終得到圖3所示結(jié)果。

圖3 不同充填體寬度條件下巷道變形模擬結(jié)果

根據(jù)圖3可知,沿空巷道頂板下沉量、煤幫及充填體水平位移隨著充填體寬度的增大而逐漸減小。總體而言,在充填寬度1.8～2.4 m條件下,沿空巷道及充填體變形量均在合理范圍內(nèi)。由此說明,采用高水速凝材料進行沿空留巷具有合理性和可行性。充填體寬度由1.8 m增大為2.0 m后,對沿空巷道頂板下沉量的控制效果顯著提升,煤幫及充填體的水平位移也顯著減小;充填體寬度由2.0 m繼續(xù)增大至2.2 m,頂板下沉量減小幅度明顯減小,煤幫水平位移和充填體水平位移量明顯減小;充填體寬度由2.2 m繼續(xù)增大至2.4 m,沿空巷道圍巖變形量及充填體變形量減小幅度均顯著減小,表面充填體寬度繼續(xù)增大,對于沿空巷道控制效果提升不大,由此建議2-301運輸巷巷旁充填體寬度為2.2 m最為合理。

4 沿空留巷圍巖控制方案

4.1 巷旁充填體參數(shù)設(shè)計

結(jié)合前文研究結(jié)果,設(shè)計2-301運輸巷旁充填體規(guī)格長×寬×高=3.0 m×2.2 m×3.5 m,為提高巷旁充填體的整體性和抗壓能力,在充填體寬度方向?qū)^栓進行加固,錨栓由直徑22 mm的螺旋鋼材制作而成,總長2.3 m,排間距0.85 m×0.9 m,豎向同排錨桿由直徑14 mm圓鋼制作的梯子梁連接,充填體表面采用鋼筋網(wǎng)護表,充填體加固如圖4所示。

圖4 充填體補強支護(單位:mm)

4.2 沿空巷道支護設(shè)計

2-301運輸巷留巷期間的補強支護可分為以下幾部分:①巷道掘巷永久支護及補強支護:原始支護方案為錨網(wǎng)梁+錨索聯(lián)合支護,頂錨桿規(guī)格Φ22 mm×2 400 mm,間排距1.0 m×0.9 m,幫錨桿規(guī)格Φ20 mm×1 800 mm,間排距0.8 m×0.9 m,頂錨索規(guī)格Φ21.6 mm×6 300 mm,間排距2.0 m×1.8 m.為防止在工作面超前支承壓力影響下出現(xiàn)過度變形,超前回采工作面100 m對巷道進行補強支護,頂板補打錨索“二〇二”布置,規(guī)格同頂板原支護,布置間排距3.0 m×1.8 m,煤柱幫補打規(guī)格Φ21.6 mm×4 300 mm的短錨索,布置間排距2.0 m×1.0 m,每排兩根;②充填區(qū)域頂板補強支護:為保障充填體上方頂板在充填期間的穩(wěn)定性,采用單體柱配合鉸接頂梁進行臨時支護,并在頂板施工錨桿、錨索進行補強支護,錨桿、錨索規(guī)格同掘巷期間永久支護方案,支護詳情如圖5所示;③留巷段加強支護:超前回采工作面40 m及滯后工作面150 m范圍內(nèi),采用“一梁三柱”進行加強支護,頂梁采用11號工字鋼,長度4.2 m,排距1.0 m.

圖5 充填區(qū)域頂板支護方案(單位: mm)

5 應用實踐效果分析

5.1 圍巖控制效果考察

干河煤礦2-301運輸巷留巷階段監(jiān)測表明變形量及巷旁充填體受力情況,布置在2-301運輸巷里程350 m的2號測點監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖6,留巷前10 d,巷道表面變形量增長較快,留巷的10～25 d,巷道變形量逐漸穩(wěn)定,留巷穩(wěn)定后,底鼓180 mm,頂板下沉148 mm,煤壁內(nèi)移58 mm,墻體內(nèi)移44 mm,沿空巷道整體處于穩(wěn)定狀態(tài);滯后工作面0～100 m,充填體載荷呈大幅度波動變化,滯后工作面100～200 m,充填體載荷波動起伏上升,滯后工作面200 m以上,墻體載荷穩(wěn)定,墻體表面光潔平整、無明顯破損。綜上可知,2-301運輸巷沿空留巷圍巖控制效果較好。

圖6 綜合礦壓監(jiān)測結(jié)果

5.2 經(jīng)濟、社會效益分析

干河煤礦2-301運輸巷沿空留巷綜合成本約為3 779.3元/m,根據(jù)礦方資料,新掘1條巷道成本約為3 500元/m,則留巷直接增加投入為:3 500-2 779.3=720.7(元/m)。2-301運輸巷留巷420 m,2-302工作面設(shè)計推進380 m,煤層均厚2.2 m,密度1.4 t/m3.假設(shè)采用原有設(shè)計20 m的護巷煤柱,共含煤炭資源17 000 t左右,回收率按98%計算,則多采出煤炭資源1 690 t,假設(shè)每噸煤的利潤為300元,開采煤柱增加收益507萬元,沿空留巷每米效益為12 073元。則沿空留巷較新掘巷道可增加利潤:12 073-720.7=11 352.3(元/m)。由此可見,沿空留巷經(jīng)濟效益明顯。少掘一條巷道,節(jié)省工作面準備時間,緩解接替緊張局面,同時降低巷道掘進風險。將區(qū)段煤柱全部回收,大大提高了采區(qū)資源回收率,延長了礦井服務(wù)年限。

6 結(jié) 語

通過分析高水速凝材料特性,討論將其作為巷旁充填體的優(yōu)勢。數(shù)值模擬研究表明,巷旁充填體寬度設(shè)計為2.2 m較為經(jīng)濟合理。結(jié)合2-301運輸巷圍巖地質(zhì)條件,設(shè)計其留巷期間巷旁充填體支護、頂板補強支護、巷內(nèi)臨時支護方案,工業(yè)性試驗期間進行了礦壓監(jiān)測,留巷穩(wěn)定后,巷道表面變形量合理可控,充填體載荷穩(wěn)定,留巷支護效果較好。采用沿空留巷工藝較新掘巷道可增加利潤11 352.3元/m,取得了良好的經(jīng)濟技術(shù)效益,可在該礦后續(xù)巷道掘進及支護期間推廣使用。