中厚煤層巷旁充填沿空留巷開采技術(shù)研究

王現(xiàn)軍

（山西西山煤電集團屯蘭礦 ，山西 太原 030052）

0 引言

隨著我國自動化采煤設(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，對于部分高瓦斯礦井，為提高其通風、運輸和排水能力，往往采用留煤柱護巷方式，即在上區(qū)段運輸平巷和下區(qū)段回風平巷之間留設(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)。但留煤柱護巷的煤炭損失率高達20%左右，且所留巷道的維護費用較高，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)是指在當前區(qū)段的綜采工作面后方，通過支護、充填等方式對原回采巷道進行維護，從而實現(xiàn)高瓦斯煤層的Y形通風，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)段開采的掘進施工量，緩解了采掘銜接的緊張局面，同時，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型通風方式的實現(xiàn)提供了有利條件，可有效避免回風隅角的瓦斯聚集，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，有必要首先對中厚煤層沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)特征進行研究。

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影響，頂部破碎的關(guān)鍵塊同時發(fā)生回轉(zhuǎn)和下沉，在未進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，且集中力明顯，引起煤幫變形破壞，該破壞同時又造成頂板回轉(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，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度的支撐體，同時將采空區(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，約1.5-3m。為保證充填體的強度、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，其強度越高，對圍巖的穩(wěn)定性控制能力越強。同時，還應(yīng)從經(jīng)濟性和效率角度出發(fā)，盡量降低充填體的施工量。大量工程實踐數(shù)據(jù)表明，當充填體寬高比為0.8-1時，即可保證強度要求，又符合經(jīng)濟性條件。對于屯蘭礦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2.0m，2.5m，3.0m三種寬度的充填體的受力和破壞情況進行研究。

4.2 沿空留巷模型建立

根據(jù)屯蘭礦18401工作面實際參數(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 不同充填體寬度對應(yīng)應(yīng)力及應(yīng)變云圖

圖4 分別顯示了充填體寬度為2.0m、2.5m和3m時，對應(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)變云圖可知，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)當前井下沿空留巷充填工藝，充填體的28d強度約為4.5～5.5MPa，雖然以上三種寬度均滿足強度要求，但綜合考慮安全性和經(jīng)濟性條件，選擇充填體寬度為2.5m最佳，與經(jīng)驗確定值相符。

5 沿空留巷回采工藝實踐

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：采煤機割煤→架前支護→移架、拉移充填模箱→充填空間維護→機械立模、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。工作面采煤機機尾割煤完成后，在模板支架上方鋪設(shè)金屬網(wǎng)，并用4米板梁對頂板進行支護，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+托架及時支護，托架長4m，錨桿間距2000mm，排距800mm。

2）機械立模、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長的直螺紋鋼進行連接。在工作面?zhèn)炔贾?2根直角彎螺紋鋼。當工作面進入下坡段時，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。混凝土進入充填模后，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整體。隔離墻有漏風現(xiàn)象時使用噴漿機進行噴漿堵漏。

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)濟增效，充分挖掘和利用了煤炭資源，避免了能源浪費。同時，沿空留巷技術(shù)可減少下區(qū)段一條巷道的掘進施工，提高生產(chǎn)效率約16%，有效縮短回采工作面的準備時間，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工作面實際情況，對沿空留巷技術(shù)特點、圍巖結(jié)構(gòu)特征等進行了分析，然后利用FLAC3D軟件對沿空留巷充填體的寬度參數(shù)進行了對比研究，結(jié)果顯示當寬度為2.5m時可滿足當前工作面的沿空留巷工藝要求，最后對18401工作面所采用的回采工藝流程和關(guān)鍵工序進行了分析。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施提供有益借鑒。