厚煤層巷內(nèi)預(yù)構(gòu)混凝土充填帶開采技術(shù)

鄭 靜

(新礦集團趙官能源有限責(zé)任公司， 山東 德州市 251113)

0 引 言

我國于1970年代從外國引進了無煤柱開采技術(shù)，由于其帶來的巨大的經(jīng)濟和社會效益，在國內(nèi)得到了廣泛的推廣應(yīng)用[1]。作為無煤柱開采技術(shù)的兩種不同方式，沿空留巷技術(shù)和沿空掘巷技術(shù)提高了資源利用率，減少了煤炭損失；減少了巷道維護量。

但是在無煤柱開采技術(shù)的實踐中也出現(xiàn)了很多問題。由于我國地質(zhì)條件較為復(fù)雜，支護技術(shù)及支護理論落后的原因，沿空留巷技術(shù)在應(yīng)用中存在很多不足之處。尤其是支護方式不合理的問題，傳統(tǒng)的巷旁支護存在初期支護阻力小、可縮性差等問題，導(dǎo)致了支護與沿空留巷圍巖變形不相適應(yīng)， 不利于巷道維護，引起采空區(qū)漏風(fēng)與自燃發(fā)火[2]。在煤炭需求量不斷增加的大背景下，煤礦開采強度不斷增加，采深也是不斷加大，隨之出現(xiàn)了高地應(yīng)力等新的影響因素，為此提出了小煤柱沿空掘巷技術(shù)，但是該技術(shù)又有煤柱尺寸確定的問題，煤柱留設(shè)過大造成資源的浪費，留設(shè)過小引起巷道變形，在厚煤層分層開采或近距離煤層群聯(lián)合開采時又造成應(yīng)力集中，因此也難以做出大面積的推廣[3,4]。

基于近年來高強度錨桿支護技術(shù)的使用和充填工藝的完善，結(jié)合綜放工作面巷內(nèi)原位沿空留巷技術(shù)，馬立強教授提出了巷內(nèi)預(yù)置充填帶無煤柱開采技術(shù)[5]。就是在厚煤層回采工作面前方的運輸平巷內(nèi)，緊靠巷幫預(yù)置一條巷內(nèi)充填帶。在下個工作面進行準(zhǔn)備時，沿預(yù)置的充填帶進行掘進，不再留設(shè)煤柱，實現(xiàn)厚煤層無煤柱開采。巷內(nèi)預(yù)制填充帶開采技術(shù)從本質(zhì)上區(qū)別與沿空留巷技術(shù)和沿空掘巷技術(shù)，但是又同時具備兩者的優(yōu)點，具備巨大的推廣價值。

1 無煤柱方式

沿空留巷在上區(qū)段軌道巷掘進過程中，沿靠近下區(qū)段側(cè)煤體進行充填，而充填開始的時間在回采工作完成之后進行，如圖1所示。沿空留巷技術(shù)的核心是頂板的巖層控制，巷道受到兩次巖層運動的影響，礦壓表現(xiàn)最為強烈，圍巖變形最大[6]。

沿空掘巷技術(shù)是在上區(qū)段回采工作完成以后，留較小煤柱沿著上區(qū)段軌道巷進行工作面準(zhǔn)備工作，如圖2所示。沿空掘巷的準(zhǔn)備工作是在上區(qū)段的采空區(qū)壓實和圍巖活動穩(wěn)定后進行的，掘巷的位置處于煤體塑性變形區(qū)，容易失穩(wěn)，發(fā)生片幫。

厚煤層巷內(nèi)預(yù)制充填帶無煤柱開采技術(shù)，在上區(qū)段工作面進行準(zhǔn)備的時候，將上區(qū)段運輸軌道巷按照大斷面進行掘進、支護；上區(qū)段開始回采工作以后，在工作面前方一定距離的范圍內(nèi)，靠近下區(qū)段煤體邊緣進行巷內(nèi)充填工作,如圖3(a)所示；在下區(qū)段進行工作面準(zhǔn)備時，沿混凝土充填體進行下區(qū)段回風(fēng)巷的掘進工作，不再進行煤柱留設(shè)工作,如圖3(c)所示。

與沿空留巷技術(shù)相比較，巷內(nèi)預(yù)制充填體技術(shù)也實現(xiàn)了無煤柱的開采，減少區(qū)段煤柱，提高了采出率，延長了煤礦壽命；該技術(shù)中膏體充填體可以適應(yīng)圍巖變形，滿足支護阻力要求，有效防止漏風(fēng)，從而避免了采空區(qū)火災(zāi)的發(fā)生，也減少了采空區(qū)瓦斯和矸石對工作面的影響，有利于礦山的安全生產(chǎn)；不足之處在于多掘了一條巷道，增加了巷道掘進量。與沿空掘巷技術(shù)相比較，巷內(nèi)預(yù)制充填體技術(shù)取消了沿空掘巷技術(shù)的小煤柱的留設(shè)，用矸石混凝土充填體代替，減少了區(qū)段煤柱，充分利用了采礦尾砂，同時避免了因留設(shè)煤柱引起的火災(zāi)和瓦斯問題的發(fā)生。

圖1 沿空留巷

圖2 沿空掘巷

圖3 巷內(nèi)預(yù)制充填體技術(shù)

上區(qū)段工作面回采工作完畢后，在相鄰工作面沿本工作面充填帶掘巷，其圍巖受力情況與綜采工作面留窄煤柱沿空掘巷類似。理論研究表明，在沿空掘巷的應(yīng)用實踐中，因為工作面的回采，煤體由彈性狀態(tài)進入塑性狀態(tài)，煤巖體內(nèi)裂隙不斷擴展，承載能力逐漸下降，隨著工作面的前進，上覆巖層的垮落層位不斷上升，矸石破碎、冒落，巖層反轉(zhuǎn)下沉，采空區(qū)冒落的矸石與巖層相接觸并且逐步的壓實，形成穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu)。因為拱形結(jié)構(gòu)的存在，在煤層中出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，沿空掘巷就是在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)進行。巷道采用錨桿錨索支護，與巷道護巷小煤柱，共同形成巷道支護小結(jié)構(gòu)。小結(jié)構(gòu)具有一定的支撐作用，承擔(dān)了巷道周圍圍巖的壓力，也能較好的適應(yīng)工作面采動條件下對沿空掘巷的支護要求，進而實現(xiàn)掘巷的穩(wěn)定。目前在綜采工作面以及在綜放工作面都成功的實現(xiàn)了留小煤柱沿空掘巷。

本方案巷道采用膏體代替煤柱進行護巷，膏體充填比煤柱具有更高的密實度和支承效果，留窄煤柱沿空掘巷，煤柱側(cè)的煤體在上個工作面采動壓力作用下，往往變的松散，不利于錨桿充分發(fā)揮錨固作用，而膏體充填帶作為巷道的一幫，為巷道錨桿支護提供了較好的基礎(chǔ)，因此更能適應(yīng)沿空掘巷要求，也能滿足掘巷穩(wěn)定期和工作采動影響期對圍巖穩(wěn)定性的要求。

2 工程概況

某煤礦330西翼采區(qū)3302首采工作面，傾斜長度195 m，走向推進長度設(shè)計1260 m，煤層厚度3.84 ～ 5.56 m，絕大部分區(qū)域煤層傾角平緩，煤層底板標(biāo)高-250 ～ -310 m，地面地勢平坦，一般標(biāo)高為+39.5 m左右，煤層埋深290 ～ 350 m。皮帶順槽設(shè)計寬度5.7 m，高度4.0 m，矩形大斷面，為巷旁充填預(yù)留寬度空間2 m。

3 數(shù)值模擬

為進一步了解巷旁充填體的穩(wěn)定性，采用數(shù)值計算方法對不同寬度下巷道穩(wěn)定性進行模擬。模擬過程中分別假設(shè)充填體寬度分別為1.8 m和2.0 m。模擬結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以知道，在充填體寬度為1.8 m時，塑性區(qū)廣泛分布剪切破壞區(qū)，說明充填體的承載能力受到弱化，對于長期穩(wěn)定性造成危害。在新掘巷道右方由于采動穩(wěn)定影響，處于應(yīng)力降低區(qū)域，充填體處應(yīng)力略微增加。由于有上區(qū)段垮落巷道錨桿、錨索的作用影響，頂板的整體性增強，使得應(yīng)力分擔(dān)在垮落區(qū)和實體煤區(qū)域。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果

由以上分析可知，在充填體為2 m的時候，充填體在各個環(huán)節(jié)都能達到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 工程應(yīng)用

4.1 支護設(shè)計及參數(shù)

試驗工作面皮帶順槽沿煤層頂板掘進，選擇該煤礦目前回采巷道普遍應(yīng)用的支護形式，即錨網(wǎng)索聯(lián)合支護。

頂板錨桿間排距為900 mm×900 mm，鋪設(shè)金屬網(wǎng)，規(guī)格為4200 mm×100 mm×10 mm的T型鋼帶與4400 mm×60 mm的異型鋼帶相互間隔使用。巷旁充填側(cè)煤幫支護采用Ф20×1800 mm可切割玻璃鋼錨桿支護，間排距為1000 mm×900 mm，配套120 mm×120 mm×10 mm規(guī)格高強度托盤，兩幫采用規(guī)格為2600 mm×2000 mm的菱形金屬網(wǎng)縱向搭接使用。

4.2 充填設(shè)計

巷旁充填主要原材料選擇商品混凝土攪拌站所正常使用的碎石、河砂和普通水泥，為了保證充填過程中料漿在管道中穩(wěn)定不分層、不泌水、不凝結(jié)，需要試驗選擇應(yīng)用合適的膏體添加劑，以提高膏體充填材料流動性能，控制可泵時間。

充填位置選擇在工作面前方100 m左右的地方進行，在工作面開始回采前10 d左右，首先在正常工作面前方運輸巷內(nèi)準(zhǔn)備一條超前工作面開切眼一條約100 m的巷道，在運輸巷靠近下一工作面的煤壁處澆筑巷旁充填條帶。以后按照工作面推進速度(每天10 m左右)安排充填，保持巷旁充填在工作面前方100 m左右以外進行。該設(shè)計在工作面不受影響的情況下完成巷道內(nèi)充填，同時在工作面之前先期充填給充填體凝結(jié)充分的時間達到切頂要求的強度，保證了充填體的穩(wěn)定和更好的切頂效果，也有利于下個區(qū)段工作面巷道的維護工作的進行。

4.3 應(yīng)用效果

為檢驗膏體厚煤層巷旁充填無煤柱開采技術(shù)研究項目的可行性，在3302皮帶順槽設(shè)置了相應(yīng)的觀測站，進行圍巖變形和頂?shù)装逦灰七M行觀測。設(shè)置兩個觀測點A1、A2，A1、A2兩點之間的距離相差10 m，A1點在靠近工作面的方向。開始觀察時A1點距離工作24 m處。觀測及記錄數(shù)據(jù)如圖5，圖6所示。

圖5 A1測站的觀測結(jié)果

圖6 A2測站的觀測結(jié)果

由圖5和圖6可知：充填體縱向變形量很小。在距離工作面16～26 m處頂?shù)装逡平俣群苄。S著工作面推進，頂?shù)装逡平?、兩幫變形明顯加快。在距工作面2 m時A2測站測得充填體側(cè)頂?shù)装遄畲笠平繛?3 mm，A1測站處為8 mm，主要是充填帶對頂板起到支撐頂板的作用，防止頂板離層下沉。

對比圖5和圖6可看出，在本次觀測期間，3302工作面回采時皮帶順槽圍巖變形主要以兩幫變形為主，是頂?shù)装逑鄬σ平康?～3倍。圖5顯示A1測站測得兩幫最大變形值為58 mm，是距離工作面2 m處。由前測得充填體橫向變形極小，可見兩幫移近又主要表現(xiàn)在本工作面煤幫側(cè)的變形，占到總變形的86%以上?？梢姵涮铙w在控制圍巖變形方面起到了積極的作用。

在大采高工作面生產(chǎn)過程中，巷道圍巖和充填體幾乎沒有明顯變形。矸石渣混凝土墻經(jīng)受住了2次采動影響，完全優(yōu)于傳統(tǒng)窄煤柱的支護效果，保證了工作面的正常開采。實踐證明，厚煤層巷內(nèi)預(yù)置充填帶無煤柱開采技術(shù)取了成功。

5 結(jié) 論

(1) 充填體的礦壓觀測結(jié)果表明：在本工作面回采時，充填體的應(yīng)力、變形均較小，最大應(yīng)力僅為1.44 MPa。說明厚煤層巷內(nèi)膏體預(yù)充填技術(shù)可以保證巷道穩(wěn)定，技術(shù)合理，安全可靠。

(2) 與沿空掘巷技術(shù)相比，厚煤層巷內(nèi)預(yù)構(gòu)膏體充填技術(shù)成功的取消了煤柱的留設(shè)，提高采出率，減少了煤炭損失，還提高了經(jīng)濟收入，同時避免了因為煤柱的留設(shè)導(dǎo)致的瓦斯對區(qū)段巷道的影響，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

(3) 與沿空留巷技術(shù)相比，厚煤層巷內(nèi)預(yù)構(gòu)膏體充填技術(shù)提前進行巷內(nèi)充填，減少了輔助工作對采煤工作的影響，而該技術(shù)相對多開掘出一條回風(fēng)巷，但該巷道的開掘施工簡單，也不影響工作面的正常回采。

參考文獻：

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