深部開采13203 綜采工作面巷旁充填留巷技術研究

趙海濤

（山西省煤炭工業廳綜合測試中心，山西 太原 030045）

馬道溝礦開采的13#煤層瓦斯含量高，治理耗時長，采掘接替局面緊張。留巷布置方式可降低巷道掘進工程量，提高煤炭生產效率。由于13#煤層具有自然發火傾向，如何降低漏風量、避免煤層及采空區遺煤自燃成為留巷時需重點解決問題[1-3]。馬道溝礦通過技術研討分析，確定采用巷旁充填方式留巷，對留巷技術方案及現場應用效果等進行分析。

1 工程概況

13203 綜采工作面埋深580 m，開采13#煤層，煤厚2.6 m，傾角3°～9°，賦存穩定。13#煤層自然發火傾向性為I 類，發火周期38～106 d，煤層瓦斯原始含量9.54 m3/t。13203 綜采工作面面長189 m，回采推進距離1850 m，煤層頂底板以細砂巖、泥巖以及粉砂巖等為主，具體見表1。

表1 13#煤頂底板巖性

2 留巷段強化支護方案

對13203 回風巷留巷段圍巖進行加強支護，與巷旁充填體共同配合實現留巷段的圍巖控制，留巷段應具備較高的支護剛度、預緊力，避免頂板巖層離層。結合13203 回風巷斷面、現場施工條件以及頂板巖性，確定用錨桿（索）、鋼帶、金屬網組合方式對圍巖進行控制。支護參數：巷幫、頂板錨桿均按照850 mm×850 mm 間排距布置，錨桿規格為Φ18 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿，全部掛網，巷幫及頂板錨桿預先施加的預緊力分別控制在60 kN、80 kN 以上；頂板錨索按照1700 mm×2550 mm 間排距布置，規格為Φ17.8 mm×8000 mm 鋼絞線，預先施加120 kN 以上預緊力。在實體煤幫以及頂板上均鋪設鋼帶強化支護。具體支護斷面如圖1。

圖1 強化支護斷面圖（mm）

3 巷旁充填技術方案

3.1 巷旁充填材料

巷旁充填材料會直接影響留巷效果，選用的巷旁充填材料應具備成本低、便于獲取、早強支撐強度高、可縮量大等優點?，F階段礦井常用的充填材料依據組成可分為改性材料、凝膠材料以及惰性材料[4-7]。依據馬道溝礦現場情況，選用水泥、粉煤灰作為具備凝膠性能的活性混合材料，惰性材料為砂子、石子等，并加入一定量的改性材料（早強劑及減水劑等）。水泥與惰性材料配比1:4，惰性材料中砂子、石子配比2:3，早強劑以及減水劑添加量分別為充填材料使用總量的1.2%、1.5%。

3.2 充填體支護參數

巷旁充填留巷時，采面周期來壓期間巷旁充填體會承受較大的采動壓力，因此要求采用的巷旁充填體支撐強度可抵抗周期來壓。具體巷旁充填體支撐強度P可采用下述公式計算[8]：

式中：k為應力集中系數，取4.0 m；hE為基本頂厚度，取8.0 m；γE為基本頂容重，取25 kN/m3；Lmax為周期來壓步距，取16 m；hz為基本頂厚度，取2.91 m；γZ為直接頂容重，取25 kN/m3；x0為煤體極限平衡區范圍，取2.1 m；c為留巷段巷寬，取4.2 m；d為巷旁充填體寬度，取值分別為1.5 m、1.8 m、2.0 m、2.3 m 以及2.5 m。

依據采面礦壓監測資料以及充填體抗壓強度試驗結果，確定回風巷留巷段合理充填體寬度為2.3 m。充填體強度越高、抗壓強度越大，則充填體在應力作用下破壞程度越小，留巷段頂板及巷幫變形量均有降低，即留巷效果越佳。但是充填體強度越大，則充填成本越高，施工工藝越復雜。綜合考慮確定充填體強度為23 MPa。

3.3 充填設備

13203 綜采工作面推進速度為4.8 m/d，速度較快，而回風巷巷旁充填材料運輸量大，充填工序繁多，若充填過程中出現問題會制約13203 綜采工作面正常推進。因此，布置的充填設備、管路等不應給13203 綜采工作面正常生產帶來影響。根據采面情況將充填設備布置在鄰近的13205 綜采工作面切眼內，充分利用切斷斷面大優勢，提高充填效果，具體布置如圖2。采用的充填泵型號為HBMG30/21-110S，配套的電機功率為110 kW，出口壓力最大21 MPa，最遠泵送距離超過1200 m，泵送流量最大為30 m3/h，骨料最大直徑不應超過40 mm，整機重量為5.17 t。將充填管路沿著13203回風巷底板鋪設，選用的充填管為無縫鋼管，在接口用“O”型密封圈、10 MPa 管道快速接頭連接。

圖2 巷旁充填設備布置示意圖

回風巷充填段充填模架結構如圖3。在采面推進時，作業人員在掩護支架下工作，提高充填留巷安全系數；在采面回采時，緊跟留巷側端頭支架安裝單體支柱，強化頂板支護并起到擋矸作用；待后方充填長度達到設計長度時，采用圓木代替單體進行支護。圓木在采空區側、巷道側排距分別為1000 mm、800 mm，確保充填體寬度在2300 mm 以上；在圓木內側鋪木板并在木板內側懸掛防滲帆布，減少充填材料外溢量。

圖3 充填段充填模架結構示意圖（mm）

3.4 臨時支護

在13203 綜采工作面回采期間，采面前方25 m 及后方200 m 范圍內受采空及采空區頂板垮落影響顯著，為此采用單體支柱進行臨時支護。支護用單體（DW28-250/110X）、鉸接頂梁（型號HDJA-800）組成抬棚，一排3 根單體，單體間距及排距分別為1800 mm、1500 mm。在采面端頭位置采用掩護式支架（型號ZZT4500）支護。從掩護式支架后方至采面后方200 m 范圍內，用單體、鉸接頂梁支護頂板，一排4 根單體，支柱間距及排距分別為1000 mm、1200 mm。

4 充填留巷效果分析

布置測點監測充填留巷段圍巖變形，結果如圖4。

圖4 留巷段圍巖變形監測曲線

從圖中看出，隨測點滯后采面距離增加，留巷段圍巖變形量呈現初期變形緩慢、中期變速較快、后期變形穩定特點。具體變形可分為三個階段：第一階段為采面后方10 m 范圍，此階段留巷段頂底板及巷幫基本未出現變形；第二階段為采面后方10～60 m 范圍，此階段留巷段頂底板、巷幫變形速度較快，變形量增加明顯，此階段變形量約占整個階段變形量的95%以上，頂底板、巷幫變形量分別為291 mm、222 mm；第三階段為滯后采面60 m 以外區域，此階段圍巖變形速度較慢，變形量逐漸趨于穩定。在13203 回風巷采用充填留巷技術后，留巷段頂底板、兩幫最大移近量分別為302 mm、233 mm，圍巖變形量整體較小。

5 結語

（1）依據馬道溝礦13203 綜采工作面現場情況，為提高留巷安全性并降低后續防滅火工作壓力，提出采用巷旁充填留巷技術將13203 回風巷保留下來為鄰近的13205 綜采工作面生產服務。

（2）對留巷段強化支護、充填支護技術方案以及臨時支護方案進行設計，通過強化留巷段圍巖支護可降低留巷過程中圍巖變形量以及頂板離層量，通過采用遠距離泵送充填可降低充填留巷對采面生產的影響，通過臨時支護可降低采動壓力以及采空區頂板垮落下沉等給留巷工作帶來的制約?，F場應用后，13203 回風巷留巷段頂底板、兩幫最大移近量分別為302 mm、233 mm，圍巖控制效果顯著。