綜放開采運(yùn)輸巷矸石膏體充填無煤柱開采技術(shù)研究

孫欽亮 張躍華

（山東恒馳礦業(yè)裝備科技有限公司，山東 泰安 271202）

常規(guī)開采中相鄰工作面之間通常會(huì)遺留大量的煤體，因此造成較大的煤炭資源損失，尤其是在開采厚煤層時(shí)。在綜放工作面的生產(chǎn)中，遺留煤柱的損失約占10%[1]。除此之外，遺留的煤柱會(huì)受到較大壓力，導(dǎo)致相鄰工作面巷道事故增加，增加維修工作量，也不利于預(yù)防煤炭自然發(fā)火、瓦斯突出及其他災(zāi)害的發(fā)生[2]。

因此，許多學(xué)者提出無煤柱開采，無煤柱開采是通過合理的開拓部署、采煤工作面和巷道布置及采掘順序，取消護(hù)巷煤柱的采煤方法。其主要的優(yōu)點(diǎn)是消除因煤柱引起的應(yīng)力集中，使巷道處于應(yīng)力減低區(qū)，減少巷道事故發(fā)生，降低維修工作量；降低巷道出現(xiàn)的突出與沖擊災(zāi)害；降低煤炭損失量，提高煤炭資源的回收利用率[3-5]。以現(xiàn)有的生產(chǎn)力，沿空留巷與沿空掘巷是主流的兩種無煤柱開采手段。沿空留巷所布置的巷道需要經(jīng)受兩次采動(dòng)的干擾，在厚煤層綜放開采的工作面中留巷困難且護(hù)巷成本較高。而沿空掘巷布置的巷道只受單次采動(dòng)的影響，護(hù)巷難度較沿空留巷容易，但是常規(guī)的布置仍需要留設(shè)5～7 m 的窄煤柱來護(hù)巷，在厚煤層開采時(shí)煤炭資源損失較大[6-8]。

山東菏澤單縣豐源實(shí)業(yè)有限公司張集煤礦目前主采3 煤層，首采區(qū)西翼3 煤平均厚度為6.10 m，同時(shí)每年產(chǎn)生煤矸石180 萬t，矸石堆放占用大量土地，對(duì)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作帶來巨大壓力，嚴(yán)重影響了煤礦的可持續(xù)發(fā)展。1309 工作面井下位于一采區(qū)西翼，1309 工作面走向長度1230 m，傾向長度242 m，綜放開采。本文以該礦井1309 工作面的開采技術(shù)條件為背景，提出綜放開采運(yùn)輸巷矸石膏體充填無煤柱開采技術(shù)，并通過數(shù)值模擬，分析綜放巷內(nèi)無煤柱掘巷過程中圍巖結(jié)構(gòu)的變形特征，掘巷和下區(qū)段工作面回采時(shí)對(duì)充填體穩(wěn)定性的影響，并根據(jù)模擬結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。

1 巷內(nèi)矸石膏體充填無煤柱開采技術(shù)原理

綜放巷內(nèi)矸石膏體充填無煤柱開采方法需要根據(jù)工作面每天的推進(jìn)度，確定巷道每次的充填長度，即循環(huán)充填步距。預(yù)先在巷道壁側(cè)布置網(wǎng)格布，構(gòu)筑充填空間。在將要實(shí)施充填部分的巷道前面布置隔離布起到擋漿作用，將制備的矸石膏體料漿通過管路泵送到巷道內(nèi)進(jìn)行充填。最后伴隨著工作面開采完成，巷道也隨之全部充填完成。待采動(dòng)影響穩(wěn)定，再沿著充填體一側(cè)開挖相鄰工作面開采所需的巷道。在下個(gè)工作面回采的過程中，充填體將替代護(hù)巷煤柱支撐頂板，最終實(shí)現(xiàn)工作面的不留煤柱開采。

該技術(shù)不僅能夠使覆巖壓力穩(wěn)定分布，實(shí)現(xiàn)工作面整體圍巖結(jié)構(gòu)的主動(dòng)支撐，而且也能有效節(jié)約支護(hù)資源，實(shí)現(xiàn)工作面的經(jīng)濟(jì)高效開采。綜放巷內(nèi)矸石膏體充填無煤柱開采，待上一工作面覆巖運(yùn)動(dòng)基本結(jié)束，充填體也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，可沿充填體一側(cè)開挖下一工作面回風(fēng)巷道，減少了上、下兩個(gè)區(qū)段的接續(xù)時(shí)間，有效緩解了當(dāng)前工作面接續(xù)壓力過大的被動(dòng)局面。同時(shí)，對(duì)下區(qū)段回風(fēng)巷進(jìn)行開挖時(shí)，可以貼近充填體掘巷，便于定位。由于新掘巷道的一側(cè)為充填體，可節(jié)約巷道的支護(hù)材料，降低巷道支護(hù)成本。其次，充填體具有較高的強(qiáng)度和支撐力，具有較好的密閉性，不會(huì)發(fā)生漏風(fēng)，使得采空區(qū)中的瓦斯和其他毒害氣體不容易外泄。再者，綜放開采運(yùn)輸巷充填無煤柱開采使用充填體代替保護(hù)煤柱，可實(shí)現(xiàn)無煤柱開采，提高資源回收率，同時(shí)可防止采空區(qū)內(nèi)煤柱自然發(fā)火和潛在的沖擊礦壓隱患，消除煤柱應(yīng)力集中現(xiàn)象，減少突出與沖擊事故。利用巷內(nèi)充填體代替護(hù)巷煤柱，充填體的參數(shù)可以人為設(shè)計(jì)，與煤柱相比具有密度小、寬度窄的特點(diǎn)，并且充填材料為矸石等廢棄物，可以緩解矸石堆放占用大量用地的問題，促進(jìn)煤礦綠色可持續(xù)發(fā)展。

綜放開采運(yùn)輸巷矸石膏體充填無煤柱開采技術(shù)的具體步驟如圖1 所示：

圖1 綜放開采運(yùn)輸巷矸石膏體充填無煤柱開采步驟圖

（a）開掘上工作面運(yùn)輸平巷，并留出足夠的寬度為下一步充填做準(zhǔn)備。

（b）在巷道靠近下區(qū)段工作面煤壁側(cè)構(gòu)筑充填體墻。充填的高度要與巷道高度一致，強(qiáng)度和寬度滿足下工作面回采需要。

（c）上工作面回采過程中，基本頂發(fā)生回轉(zhuǎn)、下沉現(xiàn)象。

（d）上工作面回采結(jié)束，沿著充填體開挖下工作面回風(fēng)平巷。此時(shí)已經(jīng)基本完成覆巖運(yùn)動(dòng)，向靜態(tài)受力平衡狀態(tài)過渡。

2 綜放開采運(yùn)輸巷矸石膏體充填圍巖變形特征數(shù)值模擬研究

巷內(nèi)圍巖結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)穩(wěn)定性是調(diào)整回采技術(shù)的關(guān)鍵因素。為了研究無煤柱開采對(duì)巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響特征，對(duì)回采過程中巷內(nèi)圍巖的應(yīng)力演化過程進(jìn)行分析。通過構(gòu)建充填體與圍巖的整體結(jié)構(gòu)模型，模擬計(jì)算采動(dòng)過程中覆巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和穩(wěn)定性。

2.1 模型建立

根據(jù)張集煤礦1309 工作面綜合地層柱狀圖建立三維數(shù)值仿真模型，尺寸為200 m×160 m×70 m。模型中采用了漸變網(wǎng)格劃分，由于模型生成過程中區(qū)域網(wǎng)格大小的確定對(duì)模擬結(jié)果有重大影響，在設(shè)計(jì)時(shí)遵循網(wǎng)格大小盡可能滿足差異越小越準(zhǔn)確的原則，在沿充填體掘巷巷道圍巖附近進(jìn)行了加密式網(wǎng)格劃分。如圖2 所示，通過向模型頂部施加應(yīng)力邊界條件來模擬上覆巖重，模擬埋深600 m。模型沿走向及傾向方向施加水平應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)0.5。模型外圍設(shè)置足夠的保護(hù)煤柱以減少邊界效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響。各煤巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 數(shù)值模型邊界條件示意圖（m）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，模擬巷道尺寸為4.6 m×2.9 m，隨著回采的不斷進(jìn)行，開挖一次后即對(duì)巷道進(jìn)行充填，充填體寬度為2 m。依次對(duì)上下工作面回采過程中的圍巖結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征進(jìn)行分析研究。

2.2 上工作面回采過程中圍巖應(yīng)力分布特征

上工作面回采過程中圍巖應(yīng)力分布規(guī)律如圖3所示。

圖3 上工作面回采過程中圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

由圖3（a）可以看出，“上工作面回采”結(jié)束后，沿縱深方向，充填體墻及實(shí)體煤層出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。但應(yīng)力在巷內(nèi)的覆巖和底板中分布較為均勻，整體結(jié)構(gòu)的受力情況較為穩(wěn)定。其中，垂直應(yīng)力最大值為30.5 MPa，集中系數(shù)為3.27；實(shí)體煤層在距充填體2.8 m 的位置出現(xiàn)了最大的垂直應(yīng)力，最大值為22.3 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)2.18。圖3（b）可以看出，在“上工作面回采”結(jié)束后，水平應(yīng)力主要由頂板和底板共同承擔(dān)。充填體與頂板之間的離層區(qū)發(fā)生了水平應(yīng)力集中，頂板上的水平應(yīng)力最大值為3.9 MPa。充填體和圍巖所受水平力并沒有過大的差別，兩者之間不會(huì)出現(xiàn)明顯的集中應(yīng)力。圖3（c）可以看出，“上工作面回采”結(jié)束時(shí)，剪應(yīng)力在整個(gè)工作面中基本無明顯差異，由回采所引起的剪應(yīng)力重分布并不會(huì)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性造成影響。充填體下方3 m 處剪切應(yīng)力達(dá)到最大值，為5.2 MPa；上方剪切應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在4.2 m 位置處，最大值為5.9 MPa。充填體上方和底部均出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象。

基于上述對(duì)上工作面回采應(yīng)力的模擬分析，上工作面回采過程中充填體所受的垂直應(yīng)力較大，充填體墻的穩(wěn)定性主要取決于垂直方向集中應(yīng)力的大小。而開采過程中充填體在水平方向的應(yīng)力集中現(xiàn)象較弱，上覆巖層與充填體的應(yīng)力響應(yīng)趨于一致。水平應(yīng)力在上下巖層中均有一定分散，水平應(yīng)力主要集中分布在充填體前的圍巖中。充填體在上工作面回采過程中的剪切效應(yīng)較弱，剪切應(yīng)力在圍巖和充填體中能夠均勻分布，兩者在回采過程中能夠很好地相互協(xié)調(diào)、共同承力。因此，上工作面開采過程中充填體的穩(wěn)定性主要與垂直方向的抗壓能力相關(guān)。

2.3 下工作面回采過程中圍巖應(yīng)力分布特征

二次回采過程中圍巖應(yīng)力分布規(guī)律如圖4 所示。

圖4 二次回采過程中圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

由圖4 可知，圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律在“下工作面回采”期間，主要受到支承壓力的疊加影響，充填體與圍巖的應(yīng)力狀態(tài)存在一定差異。圖4（a）是工作面超前0 m 處圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律。可見，垂直應(yīng)力作用于充填體之上遠(yuǎn)高于實(shí)體煤上，充填體處應(yīng)力最大值達(dá)到35.4 MPa，集中系數(shù)為3.55；而實(shí)體煤產(chǎn)生應(yīng)力僅為17.3 MPa，集中系數(shù)為1.68。并且充填體附近區(qū)域的圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，充填體與圍巖的應(yīng)力特征差異較大。底板與覆巖的應(yīng)力分布基本為相互對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。圖4（b）是工作面超前10 m 時(shí)圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律，在充填體和實(shí)體煤中均出現(xiàn)顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且在充填體附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇。作用于充填體上方的垂直應(yīng)力峰值達(dá)到34.2 MPa，集中系數(shù)為3.35；而在沿充填體掘巷距實(shí)體煤巷幫煤壁3.5 m 位置，實(shí)體煤所受垂直應(yīng)力達(dá)到峰值為29.5 MPa，集中系數(shù)為2.97。隨著超前距離的不斷增加，作用于充填體及實(shí)體煤上方的支承壓力峰值不斷減少。當(dāng)超前距離達(dá)到20 m 時(shí)，充填體附近區(qū)域的集中應(yīng)力發(fā)生弱化，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定。在超前30 m處，充填體產(chǎn)生的垂直應(yīng)力到達(dá)最大為30.2 MPa，集中系數(shù)為3.02；而實(shí)體煤上產(chǎn)生垂直應(yīng)力的峰值為25.3 MPa，集中系數(shù)為2.56。并且充填體附近區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)基本未發(fā)生改變，說明采動(dòng)所引起的應(yīng)力傳遞存在一定的界限距離。巷內(nèi)圍巖越靠近左端，應(yīng)力梯度的變化越強(qiáng)烈，最終，在充填體附近形成明顯的異化響應(yīng)區(qū)。該區(qū)結(jié)構(gòu)會(huì)在短期內(nèi)發(fā)生迅速的能量聚集并受到周圍巖體的約束，其會(huì)在采動(dòng)擾動(dòng)的作用下發(fā)生一定的能量釋放和失穩(wěn)。隨著采動(dòng)距離的不斷延伸，該區(qū)巖體受動(dòng)力擾動(dòng)的影響，會(huì)促使內(nèi)部能量不斷向上部覆巖發(fā)生釋放。但隨著擾動(dòng)作用的越來越弱，該區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布趨于穩(wěn)定，整體圍巖的應(yīng)力梯度逐漸變小，充填體的應(yīng)力也由剛開始的激增逐漸減弱至穩(wěn)定。

通過對(duì)研究結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：在“下工作面回采”時(shí)，支承壓力是影響圍巖應(yīng)力分布規(guī)律的主要因素。其中，充填體上方的應(yīng)力峰值隨與停采線的距離增大而減小，在超前0 m 處實(shí)體煤上方的應(yīng)力峰值降到最低。在10 m 到30 m 工作面的超前距離上，實(shí)體煤幫上方的應(yīng)力峰值也相應(yīng)縮小。該階段應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)周圍結(jié)構(gòu)的影響集中發(fā)生在前10 m，此過程整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力梯度發(fā)生了顯著變化。

3 綜放開采運(yùn)輸巷充填無煤柱開采技術(shù)工程試驗(yàn)

基于上述模擬結(jié)果，完善工作面的無煤柱開采技術(shù)，對(duì)采動(dòng)過程中的不穩(wěn)定點(diǎn)進(jìn)行支撐。在“不對(duì)稱協(xié)作支護(hù)”理論和技術(shù)基礎(chǔ)上，針對(duì)綜放工作面沿空巷道圍巖的變形和損傷特點(diǎn)，對(duì)巷內(nèi)永久支護(hù)、工作面端部區(qū)域、工作面超前動(dòng)壓作用及采動(dòng)滯后部位等多個(gè)容易受到應(yīng)力干擾的部位進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)加固，對(duì)原有的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化研究，保障地下煤炭資源的安全高效生產(chǎn)。

巷道形狀為矩形斷面，斷面尺寸為4600 mm×2900 mm，原巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)如下：

1）巷道頂板支護(hù)參數(shù)。使用長度為2400 mm、直徑22 mm 的高強(qiáng)讓壓錨桿，間排距800 mm×900 mm，兩側(cè)錨桿距巷幫300 mm，并傾斜20°安裝，每根錨桿使用2 支樹脂錨固劑錨固。錨索采用長度為6300 mm、直徑22 mm 的高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨索，錨索布置方式為“3-0-3-0”布置，間排距為1600 mm×1800 mm，中間錨索位于巷道中心點(diǎn)，每根錨索使用3 支樹脂錨固劑錨固。為避免頂煤破碎，采用組合鐵絲網(wǎng)護(hù)頂，全斷面雙層網(wǎng)片支護(hù)第一層采用雙抗網(wǎng)，第二層網(wǎng)片采用直徑6 mm 鋼筋焊接而成的方格網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm，規(guī)格1100 mm×2000 mm，網(wǎng)間搭接100 mm，每隔200 mm 用雙股14#鐵絲綁扎，不得出現(xiàn)漏聯(lián)現(xiàn)象。

2）巷道幫部支護(hù)參數(shù)。錨桿的類型、規(guī)格、錨固方式以及長度、預(yù)緊扭矩等均與頂板相同，間排距均為800 mm，頂角錨桿距離頂板200 mm，底角錨桿距離底板300 mm，錨桿間通過雙鋼筋托梁橫向聯(lián)結(jié)，錨桿托盤及相應(yīng)配套構(gòu)件與頂板一致。

為了優(yōu)化原有巷道的支撐結(jié)構(gòu)，構(gòu)建巷道頂?shù)装迮c圍巖的一體化支撐體系，采用長錨索對(duì)原有的結(jié)構(gòu)支撐方案進(jìn)行優(yōu)化。將原本的“3-0-3-0”布置改為“3-3-3-3”錨索布置，補(bǔ)強(qiáng)錨索規(guī)格為Φ22 mm×7300 mm，預(yù)緊力不低于300 kN，間排距為1800 mm×1800 mm，補(bǔ)強(qiáng)錨索距實(shí)體煤幫與充填體的最近距離分別為300 mm 和600 mm，錨索采用鋼筋托梁縱向聯(lián)接。為了防止層間錯(cuò)動(dòng)帶來的剪切破壞，頂板兩側(cè)補(bǔ)強(qiáng)錨索傾斜20°安裝，中間一根垂直安裝。錨索托盤采用300 mm×300 mm（長×寬），厚度為16 mm、拱高為60 mm、承載能力不小于550 kN 的帶調(diào)節(jié)球墊的拱形托盤，如圖5。

圖5 永久支護(hù)加固方案示意圖（mm）

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)構(gòu)件受力監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，沿充填體掘巷附近，支護(hù)構(gòu)件的受力主體為承載大部分上覆巖層重量的實(shí)體煤幫，巷道內(nèi)整體圍巖結(jié)構(gòu)的支承效果良好。實(shí)體煤幫側(cè)的錨桿在掘進(jìn)過程中的最大受力為186 kN，錨索的最大受力為253 kN。雖然支護(hù)構(gòu)件在回采時(shí)受力已近極限，但支護(hù)結(jié)構(gòu)仍能較好地完成吸能作用，并且其強(qiáng)度尚在可滿足生產(chǎn)要求的承受范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

為解決綜放工作面開采過程中遺留煤柱過多造成經(jīng)濟(jì)損失較大的難題，該文以張集煤礦1309工作面為背景，分析了綜放開采運(yùn)輸巷矸石膏體充填無煤柱開采技術(shù)，結(jié)合數(shù)值模擬的方法分析了兩次回采過程中圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)原有巷道支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化，主要得到以下結(jié)論：

1）綜放開采運(yùn)輸巷矸石膏體充填無煤柱開采技術(shù)是在上一工作面運(yùn)輸巷內(nèi)，沿工作面煤壁側(cè)構(gòu)筑充填體，待采動(dòng)影響穩(wěn)定時(shí)，再沿著充填體開挖下一工作面軌道巷。在下一工作面回采時(shí)，充填體作為護(hù)巷煤柱支撐頂板，最終實(shí)現(xiàn)工作面的無煤柱開采。

2）由于上工作面開采擾動(dòng)，頂板支承壓力峰值會(huì)轉(zhuǎn)向?qū)嶓w煤深部，導(dǎo)致了作用于實(shí)體煤下頂板的應(yīng)力峰值稍大于充填體下的頂板的現(xiàn)象。同時(shí)隨頂板深度增加而對(duì)頂板產(chǎn)生支承壓力衰減幅度不一，且實(shí)體煤下頂板峰值隨深度增加繼續(xù)向?qū)嶓w煤深部轉(zhuǎn)移。

3）下一工作面回采期間，超前0 m 時(shí)實(shí)體煤下底板出現(xiàn)最大峰值35.4 MPa；充填體及實(shí)體煤下頂?shù)装宸逯禃?huì)隨著超前距離增加不斷減少。同時(shí)，在超前10～20 m 范圍，實(shí)體煤下所受應(yīng)力最大值將超過充填體處，而在20 m 范圍外，實(shí)體煤下所受應(yīng)力最大值會(huì)低于充填體處。