中厚煤層巷旁充填沿空留巷開采技術(shù)研究

王現(xiàn)軍

（山西西山煤電集團(tuán)屯蘭礦 ，山西 太原 030052）

0 引言

隨著我國自動(dòng)化采煤設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，煤炭的生產(chǎn)效率和采出率逐年提升。以往開采技術(shù)中，對(duì)于部分高瓦斯礦井，為提高其通風(fēng)、運(yùn)輸和排水能力，往往采用留煤柱護(hù)巷方式，即在上區(qū)段運(yùn)輸平巷和下區(qū)段回風(fēng)平巷之間留設(shè)一定寬度的煤柱，從而一方面作為本區(qū)段的主回風(fēng)巷使用，另一方面使下區(qū)段平巷有效避開支撐壓力峰值區(qū)。但留煤柱護(hù)巷的煤炭損失率高達(dá)20%左右，且所留巷道的維護(hù)費(fèi)用較高，底板穩(wěn)定性較差，因此逐漸被沿空留巷開采方式所取代。

1 沿空留巷技術(shù)

圖1 沿空留巷示意圖

如圖1所示，沿空留巷技術(shù)是指在當(dāng)前區(qū)段的綜采工作面后方，通過支護(hù)、充填等方式對(duì)原回采巷道進(jìn)行維護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)高瓦斯煤層的Y形通風(fēng)，并為下區(qū)段開采提供回采巷道的一種煤炭高效開采方式。顯然，沿空留巷技術(shù)減少了下區(qū)段開采的掘進(jìn)施工量，緩解了采掘銜接的緊張局面，同時(shí)，有效避免了煤柱的煤炭損失，延長了礦井服務(wù)年限，滿足當(dāng)前綠色、科學(xué)開采要求。另一方面，沿空留巷技術(shù)為Y型通風(fēng)方式的實(shí)現(xiàn)提供了有利條件，可有效避免回風(fēng)隅角的瓦斯聚集，為井下生產(chǎn)作業(yè)提供了安全保障。為促進(jìn)我國煤炭行業(yè)沿空留巷技術(shù)的發(fā)展，本文將結(jié)合山西屯蘭礦巷旁充填沿空留巷開采的現(xiàn)狀，對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)、充填體寬度、回采工藝等內(nèi)容進(jìn)行研究。

2 工作面概況

本文所研究屯蘭礦18401工作面，主要位于南四盤區(qū)，走向長度1820m，傾向?qū)?35m，工作面所處地層水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主采8#煤層，煤厚1.80～3.10m，平均約2.41m，屬中厚煤層，煤層局部夾一層炭質(zhì)泥巖，厚0.20～0.50m。煤層整體向南西傾斜，最大傾角8°，最小傾角2°，平均約5°。煤層瓦斯含量6.4m3/t，瓦斯含量偏高，且該煤層為Ⅱ類自燃煤層。綜合以上條件，該工作面適宜采用沿空留巷技術(shù)開采。

本文所研究18401工作面屬中厚煤層沿空留巷，與薄煤層沿空留巷相比，其采高較大、直接頂厚度較小，因此上覆巖層的活動(dòng)較為劇烈。另外，由于巷旁充填體上方的直接頂較為破碎，因此其控制難度更大，有必要首先對(duì)中厚煤層沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究。

3 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)特征

中厚煤層內(nèi)回采巷道上部巖層在采空區(qū)塌落后，隨之發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，符合關(guān)鍵層理論所述“砌體梁”結(jié)構(gòu)。如圖2所示，若要保證沿空留巷圍巖具有足夠穩(wěn)定性，則需要該“砌體梁”在結(jié)構(gòu)破壞后處于平衡狀態(tài)。在煤炭開采過程中，隨著煤層采出及采動(dòng)影響，頂部破碎的關(guān)鍵塊同時(shí)發(fā)生回轉(zhuǎn)和下沉，在未進(jìn)行巷旁充填或支撐的情況下，沿空留巷煤幫是其受力支撐點(diǎn)，且集中力明顯，引起煤幫變形破壞，該破壞同時(shí)又造成頂板回轉(zhuǎn)角度增大，從而加大了頂板下沉量，使巷道圍巖結(jié)構(gòu)急劇惡化。

通過及時(shí)的巷旁充填和加固，所形成的巷旁充填體可顯著減弱關(guān)鍵塊的下沉，此時(shí)，一方面要求充填體具有一定程度的可壓縮性和協(xié)調(diào)變形能力，從而保證巷道頂板的穩(wěn)定性；另一方面，也要求充填體具有足夠的強(qiáng)度，可使直接頂在充填體內(nèi)側(cè)或外側(cè)邊沿發(fā)生切斷，由此減小充填體和煤幫承載。

圖2 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)

4 沿空留巷充填體寬度確定

沿空留巷技術(shù)中，充填體寬度與其承載能力密切相關(guān)，因此應(yīng)謹(jǐn)慎選擇。

4.1 充填體寬度

本文所研究巷旁充填沿空留巷，是指在工作面后部平巷內(nèi)采空區(qū)邊沿的頂?shù)装逯g充填混凝土等材料，從而形成具有一定強(qiáng)度的支撐體，同時(shí)將采空區(qū)封閉。巷旁充填墻體一般采用矩形截面，截面高度與中厚煤層的厚度相當(dāng)，約1.5-3m。為保證充填體的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和承載能力，需合理選擇其寬度。相關(guān)研究表明，充填體寬度越大，其強(qiáng)度越高，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性控制能力越強(qiáng)。同時(shí)，還應(yīng)從經(jīng)濟(jì)性和效率角度出發(fā)，盡量降低充填體的施工量。大量工程實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，當(dāng)充填體寬高比為0.8-1時(shí)，即可保證強(qiáng)度要求，又符合經(jīng)濟(jì)性條件。對(duì)于屯蘭礦18401工作面，其平均采高為2.4m，則充填體寬度約為2.5m。

為進(jìn)一步確定和選擇最佳的充填體寬度，以下將利用FLAC3D軟件，分別對(duì)2.0m，2.5m，3.0m三種寬度的充填體的受力和破壞情況進(jìn)行研究。

4.2 沿空留巷模型建立

根據(jù)屯蘭礦18401工作面實(shí)際參數(shù)，建立其三維模型，如圖3所示，模型尺寸210m×250m×150m，沿空巷道斷面高3m，寬4m。模擬開采深度720m。由于工作面傾角較小，建模過程忽略。模型上邊界施加覆巖層自重均布等效載荷15.5MPa，下邊界限制垂直方向位移，兩側(cè)限制水平位移。

圖3 數(shù)值模擬三維模型

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果

圖4 不同充填體寬度對(duì)應(yīng)應(yīng)力及應(yīng)變?cè)茍D

圖4 分別顯示了充填體寬度為2.0m、2.5m和3m時(shí)，對(duì)應(yīng)沿空留巷及充填體的應(yīng)力和應(yīng)變情況。從左側(cè)應(yīng)力云圖可見，充填體靠近采空區(qū)一側(cè)受到較大壓應(yīng)力作用，最大壓應(yīng)力依次為5.3MPa、3.1MPa、1.0MPa，即隨著充填體寬度增加，充填體所受最大壓應(yīng)力逐漸減小。而沿空留巷的巷道頂板中部受較大拉應(yīng)力作用，該拉應(yīng)力同樣隨充填體寬度增加而減小。從右側(cè)應(yīng)變?cè)茍D可知，充填體中部發(fā)生剪切或拉伸應(yīng)變，但范圍較小，加固控制難度較小。

根據(jù)當(dāng)前井下沿空留巷充填工藝，充填體的28d強(qiáng)度約為4.5～5.5MPa，雖然以上三種寬度均滿足強(qiáng)度要求，但綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性條件，選擇充填體寬度為2.5m最佳，與經(jīng)驗(yàn)確定值相符。

5 沿空留巷回采工藝實(shí)踐

5.1 回采及充填工藝流程

屯蘭礦18401工作面所采用的回采及充填工藝流程如下：采煤機(jī)割煤→架前支護(hù)→移架、拉移充填模箱→充填空間維護(hù)→機(jī)械立模、空間布置→上料、攪拌、輸送→充填→清洗充填泵和管路→充填體凝固→噴漿接頂。其中，充填材料選用膏體混凝土，其主要成分為硅酸鹽、碎石、砂子、粉煤灰等。

5.2 關(guān)鍵工序

1）架前支護(hù)。工作面采煤機(jī)機(jī)尾割煤完成后，在模板支架上方鋪設(shè)金屬網(wǎng)，并用4米板梁對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，板梁與金屬網(wǎng)最少用3道8#鐵絲捆綁。金屬網(wǎng)與巷道原有支護(hù)金屬網(wǎng)搭接，用14#鐵絲擰三圈半以上。在模板支架前采用錨桿+托架及時(shí)支護(hù)，托架長4m，錨桿間距2000mm，排距800mm。

2）機(jī)械立模、空間布控。工作面采用ZZTM2×11300/19/35H型巷旁充填模板支架、TM10×1100/21/32型充填模箱配合。工作面移架每四個(gè)步距充填一次。充填墻體寬度2.5m，在布控空間內(nèi)鋪設(shè)φ8mm鋼筋網(wǎng)10片，并用10根φ16×2.1m長的直螺紋鋼進(jìn)行連接。在工作面?zhèn)炔贾?2根直角彎螺紋鋼。當(dāng)工作面進(jìn)入下坡段時(shí)，為防止拉移模板支架將隔離墻拉開裂縫，應(yīng)增加布控空間內(nèi)的螺紋鋼用量。

（3）充填?；炷吝M(jìn)入充填模后，人工觀察其平流堆積狀況，保證充分接頂。每次充填前，將上一循環(huán)中預(yù)埋的φ16×1.6m的直角彎螺紋鋼拉直并連接，使新舊墻體成為一個(gè)整體。隔離墻有漏風(fēng)現(xiàn)象時(shí)使用噴漿機(jī)進(jìn)行噴漿堵漏。

6 效果分析

屯蘭礦18401工作面，通過采用沿空留巷回采工藝，避免當(dāng)前區(qū)段的煤柱留設(shè)，因此極大提升了煤炭的回采率，平均每米沿空留巷可產(chǎn)生4-6萬元的經(jīng)濟(jì)增效，充分挖掘和利用了煤炭資源，避免了能源浪費(fèi)。同時(shí)，沿空留巷技術(shù)可減少下區(qū)段一條巷道的掘進(jìn)施工，提高生產(chǎn)效率約16%，有效縮短回采工作面的準(zhǔn)備時(shí)間，緩解采掘接續(xù)的緊張局面。

7 結(jié) 論

本文結(jié)合屯蘭礦18401工作面實(shí)際情況，對(duì)沿空留巷技術(shù)特點(diǎn)、圍巖結(jié)構(gòu)特征等進(jìn)行了分析，然后利用FLAC3D軟件對(duì)沿空留巷充填體的寬度參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果顯示當(dāng)寬度為2.5m時(shí)可滿足當(dāng)前工作面的沿空留巷工藝要求，最后對(duì)18401工作面所采用的回采工藝流程和關(guān)鍵工序進(jìn)行了分析。本文研究內(nèi)容可為中厚煤層沿空留巷工藝方案的制定和實(shí)施提供有益借鑒。