臨汾宏大煤礦矸石充填開采沿空留巷圍巖穩定性控制技術

高 翔

（同煤集團臨汾宏大礦業有限責任公司，山西 臨汾 041600）

1 概況

臨汾宏大煤礦主要含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組，8302 工作面煤層埋深約230 m，厚度3.1～3.9 m 不等，工作面存在斷層，回采巷道圍巖穩定性較差，冒頂和垮塌事故風險較大。目前8302 工作面采用選充一體化工藝，該工藝實施的關鍵是保證沿空巷道圍巖的穩定性，研究填充開采沿空留巷工作面頂底板運移規律[1-6]，探究巷道大結構穩定機理[7-10]，是巷道圍巖穩定控制技術的基礎。

2 矸石充填開采沿空留巷圍巖變形規律

對8302 工作面的深部煤層采空區進行不同充實率下頂底板位移監測，探究矸石充填開采沿空留巷圍巖的變形規律。充實率填充分別為50%、60%、70%、80%和90%，根據位移監測結果繪制位移曲線圖1，其中左圖為頂板位移曲線，右圖為底板位移曲線，橫坐標代表的是沿著掘進推進方向的距離。

從圖1 可以看出，充實率填充為50%時直接頂板的最大位移量為1200～1250 mm 之間，直接底板的最大位移量為65～75 mm 之間；充實率填充為60%時直接頂板的最大位移量為1000～1050 mm 之間，直接底板的最大位移量為65～75 mm 之間；充實率填充為70%時直接頂板的最大位移量為800～850 mm 之間，直接底板的最大位移量為65～75 mm 之間；充實率填充為80%時直接頂板的最大位移量為500～550 mm 之間，直接底板的最大位移量為55～60 mm 之間；充實率填充為90%時直接頂板的最大位移量為250 mm 左右，直接底板的最大位移量為45 mm 左右。沿著巷道開采方向進行支護后，支護體的左右側頂板和底板的位移量基本相同。不同充實率情況下8302 工作面160 m 的前方和40 m的后方頂底板的位移量都不大，而40～160 m 范圍內隨著充實率的提升，巷道頂部煤層的位移量明顯減小，而巷道底部煤層的位移量本身不大，但也隨著充實率增加，位移量在減小。

圖1 不同充實率下沿空留巷圍巖頂底板位移曲線圖

矸石充填開采沿空留巷，頂板巖層荷載由矸石填充體以及煤層巷道壁共同承擔，因此矸石填充體的填充狀態直接會影響到巷道頂板的形變量和形變趨勢。通過監測發現，隨著填充密度的增加，頂板的下沉量會減小，基本頂回轉空間減小，巷道成型度高，穩定性強，沿空留巷工藝實施難度降低。

通過研究最終確定采用81.5%的充實率來實現8302 工作面選充一體化工藝，控制頂板和底板以及圍巖的變形，維持沿空留巷的穩定。

3 沿空留巷圍巖控制技術方案

（1）巷內基本支護方案

8302 充填工作面上平巷采用錨帶網+錨索的支護方案來進行圍巖控制，具體方案為：利用六根直徑為20 mm、長度2.5 m 的左旋螺紋鋼式樹脂錨桿與鋼帶網的配合完成頂部支護，其中頂部非兩側的錨桿與頂面垂直，而頂部兩側的錨桿與頂面形成20°～30°夾角，以增加錨桿支護效果，頂部錨桿間距為860 mm；兩幫每側采用四根同樣規格的樹脂螺紋鋼錨桿與高分子復合網的配合完成支護，兩幫非底部的錨桿與幫面垂直，兩側底部的錨桿向巷道底板傾斜10°～30°夾角，截面兩幫錨桿間距800 mm；頂部錨索布置在巷道頂板鋼帶之間，向兩幫側傾斜20°～30°夾角。巷內基本支護方案示意圖如圖2。

圖2 8302 充填工作面上平巷基本支護端面示意圖（mm）

（2）沿空留巷支護方案

在巷內支護方案實施基礎上，根據矸石充填開采沿空留巷圍巖變形規律，8302 工作面留巷之后的支護采用機械式恒阻單體支柱擋板與夯實膠結體作為巷旁支護體進行聯合留巷的方式進行沿空留巷。具體方案為：在8302 工作面采煤拉架后，首先布置兩排單體支柱對留巷進行穩定性維持，并在巷道的采空區一側沿著8302 工作面朝向布置安裝擋矸板，完成支護基礎工藝，利用矸石對采空區進行充填。充填留巷過程中，對充填矸石與膠結料水泥按照一定比例混合，將矸石膠合體利用多孔底卸式帶式輸送機運輸到充填支架與矸石填充區之間；然后通過夯實機對矸石膠合體進行夯實處理，重點對矸石膠合體與巷道頂部的對接部分進行充填，保證留巷與采空區對接位置區域的矸石膠合體充分接頂。8302 充填工作面沿空留巷支護方案示意圖如圖3。

圖3 8302 充填工作面沿空留巷支護方案示意圖

4 應用效果

8302 充填工作面煤層厚度約為4 m，上平巷采用沿空留巷，開采方式采用選充一體化工藝，采空區采用矸石充填，充實率按照81.5%進行，成型后的巷道高度為3.7 m，寬度為4.6 m，經過巷道與采空區矸石填充區之間的矸石膠合體填充體寬度為2.5 m，檢測強度為3.2 MPa，支護穩定性能夠保證。為了驗證圍巖控制方案的實施效果，對圍巖控制工藝實施后的巷道變形進行為期兩個月的監測，根據監測數據繪制圍巖變形量曲線圖，如圖4。

圖4 沿空留巷圍巖變形曲線圖

通過圖4 可以看出，沿空留巷的左幫和底板在兩個月內最大變形量約在50 mm，右幫的變形量相對左幫大，最大變形量達到150 mm，頂板的變形量最大，達到250 mm 左右。所有圍巖的變形量在兩個月期間都趨于穩定，且相較于研究矸石充填開采沿空留巷圍巖變形規律期間的圍巖變形量都有大幅度降低。由于巷道左幫側接近采空充填區，有矸石膠合體的加持，變形量較右幫會小。通過監測曲線數據說明通過81.5%矸石采空區充實率和圍巖控制方案的實施，8302 工作面的選充一體化工藝形成的巷道穩定性能夠滿足井下采煤施工，保證巷道安全。