東曲礦矸石充填開采沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

郭朝鋒

（山西西山礦業(yè)管理有限公司，山西 太原 030053）

0 引言

礦井采掘過程留設煤柱不僅造成資源浪費，而且易產(chǎn)生應力集中區(qū)，給鄰近工作面的巷道圍巖控制造成危害。沿空留巷技術(shù)是一種無煤柱開采技術(shù)，不僅可以有效提高煤炭采出率，延長礦井服務年限，還可以消除應力集中的煤柱和孤島工作面，減少沖擊礦壓的發(fā)生[1-2]。同時，工作面可以實現(xiàn)Y 型通風，減少瓦斯積聚等。在實際掘進中，先后形成了矸石墻、密集支柱、木垛、矸石帶以及巷旁矸石充填等多種形式的巷旁支護結(jié)構(gòu)，提出了木棚、工字鋼梯形棚架、U 型鋼可縮性棚架、錨桿支護以及錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護等巷內(nèi)支護形式[3]。本文以東曲礦28802 工作面為工程背景，探討深部矸石充填工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與留巷原理，并提出深部矸石充填工作面沿空留巷支護技術(shù)。

1 深部矸石充填沿空留巷原理

1.1 深部工作面礦壓的來源與控制

深部礦井充填開采工作面埋深大、地應力高，回采時礦壓顯現(xiàn)劇烈是造成沿空留巷困難的主要原因。通過控制和利用覆巖破斷、移動形成的覆巖結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)工作面?zhèn)认蜓乜樟粝锞植繀^(qū)域的應力卸載，為沿空留巷創(chuàng)造低應力的力學環(huán)境。同時，通過合理的技術(shù)手段控制采場覆巖劇烈移動，減輕應力擾動，從而實現(xiàn)深部沿空留巷圍巖的穩(wěn)定。在深部工作面采用矸石充填采空區(qū)，不僅能夠有效緩解劇烈的礦壓顯現(xiàn)，而且能夠消化井下矸石，是減少矸石成本和地表矸石污染的重要技術(shù)手段。

1.2 深部矸石充填工作面頂板沉降規(guī)律

隨著工作面的推進，頂板持續(xù)下沉，矸石承載能力快速增加。采空區(qū)矸石進入壓實承載階段。當頂板沉降到一定程度后，矸石承受的載荷趨于穩(wěn)定。此時，采空區(qū)矸石處于穩(wěn)定承載階段。在矸石穩(wěn)定承載階段，新的承載結(jié)構(gòu)逐漸形成，采空區(qū)覆巖達到新的平衡。

1.3 沿空留巷覆巖承載結(jié)構(gòu)分析

采用傳統(tǒng)垮落法開采時，采空區(qū)會形成垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶“三帶”覆巖移動特征。在大采高、強采動條件下，覆巖移動異常活躍，留巷圍巖在應力擾動反復作用下產(chǎn)生弱化。如果采用矸石及時充填采空區(qū)，在充填矸石充實率較高、接頂較好時，采空區(qū)覆巖頂板僅具有斷裂帶和彎曲下沉帶“兩帶”分布特征，充填矸石將替代原覆巖垮落帶。

2 深部工作面沿空留巷圍巖控制

2.1 沿空留巷圍巖應力變化

工作面推過后，采空區(qū)上覆巖層自下而上發(fā)生破斷、垮落。在采空區(qū)四周邊界，形成“懸臂梁”式覆巖結(jié)構(gòu)。在垂直方向上，側(cè)向邊界上的“懸臂梁”覆巖結(jié)構(gòu)承載了上覆巖層轉(zhuǎn)移的大部分載荷，并通過直接頂傳遞至沿空巷道圍巖。采空區(qū)側(cè)向形成倒梯形承載區(qū)或楔形承載區(qū)，如圖1 所示。

圖1 沿空留巷圍巖承載結(jié)構(gòu)

在側(cè)向支承力擾動作用下，該承載區(qū)巖體逐漸弱化，承載能力逐漸降低，倒梯形承載區(qū)范圍隨著側(cè)向支承壓力轉(zhuǎn)移和上覆巖層的破斷、垮落而不斷增大。在覆巖垮落至主關(guān)鍵層時倒梯形承載區(qū)范圍達到最大。充填工作面由于等效采高減小，采空區(qū)覆巖垮落范圍有限，有效緩解了轉(zhuǎn)移至采空區(qū)邊界煤體上的作用力，直接頂受不同支撐結(jié)構(gòu)作用，應力重新分布。

2.2 沿空留巷圍巖變形特征分析

基于沿空留巷圍巖應力分布規(guī)律和現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，深部沿空留巷圍巖表現(xiàn)出一定特征，如圖2 所示。

圖2 沿空留巷圍巖變形特征

1）巷道頂板易破碎。巷道直接頂圍巖處于倒梯形承載區(qū)，是傳遞上覆巖層應力的主要區(qū)域。沿空留巷巷道頂板受相鄰2 個工作面回采擾動影響，頂板圍巖急劇弱化，巷道頂板極易破碎、垮落。

2）巷旁支護結(jié)構(gòu)大變形。沿空留巷巷旁支護體在基本頂懸臂之下主要受直接頂重力作用。直接頂上存在一個較小的應力峰值，矸石墻體作為巷旁支護結(jié)構(gòu)時，由于矸石受壓縮時具有分級蠕變特性，在受載時累積變形量大，易產(chǎn)生底鼓。

3）實體幫圍巖易受沖擊。在深部工作面沿空巷道實體煤幫，由于埋深大，且受到相鄰工作面支承壓力疊加作用，實體煤幫圍巖內(nèi)應力集中，即存在一個很大的應力峰值，如果實體煤幫圍巖具有沖擊傾向性，則沿空巷道實體煤幫區(qū)域容易發(fā)生沖擊地壓危險。

2.3 沿空留巷圍巖控制原理與支護原則

根據(jù)深部工作面沿空留巷圍巖的應力與變形特征分析，得到深部矸石充填工作面沿空留巷圍巖控制基本原理：

1）留巷頂板圍巖超前支護、強力護表、深部錨固。在工作面回采之前加固沿空巷道頂板圍巖，對頂板淺表區(qū)域進行強力支護，保持頂板完整。在工作面回采前，對沿空留巷頂板施加初次支護，形成梁式承載結(jié)構(gòu)，使得巷道頂板能夠自穩(wěn)。

2）巷旁支護結(jié)構(gòu)寬度合理、協(xié)同承載。在矸石墻寬度合理的條件下，控制巷旁矸石墻鼓出，實現(xiàn)柱-墻協(xié)同承載。采用矸石墻和柱式支撐結(jié)構(gòu)共同作為巷旁支護結(jié)構(gòu)，在矸石墻堆砌過程中采用穿墻錨桿+金屬網(wǎng)+鋼帶等支護結(jié)構(gòu)約束矸石墻的側(cè)向變形，并通過施加一定的預緊力來有效提高矸石墻承載能力，并盡快承載。

3）留巷底板圍巖高應力向深部轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移峰值應力，減少底板非均勻變形。由于沿空巷道兩幫圍巖傳遞下來的應力呈非均勻分布，通過對實體煤幫鉆孔，將實體煤幫淺表圍巖中的高應力向煤體深部轉(zhuǎn)移，從而減少沿空巷道底板的非均勻鼓出。

3 沿空留巷技術(shù)應用

3.1 礦井概況

東曲礦28802 號矸石充填工作面位于-860 水平二采區(qū)南翼，工作面走向長度239 m，傾斜長度120 m，埋深920～974 m。28802 號充填工作面主采8 號煤層，煤層平均厚3.85 m，平均傾角7°。28802 號充填工作面采用單一走向長壁綜合機械化充填采煤。采用井下煤矸分離系統(tǒng)將煤和矸石分離，矸石通過專用充填液壓支架和刮板輸送機進入工作面充填采空區(qū)。

3.2 沿空留巷方案設計

工作面采用矸石袋壘設隔離墻+鋼管混凝土立柱作為巷旁支護結(jié)構(gòu)進行沿空留巷。矸石袋交錯壘設，確保袋子之間充分搭茬，保證隔離墻壘設密實。矸石墻厚3.0 m，隔離墻兩側(cè)掛設金屬網(wǎng)和W 鋼帶，隔離墻內(nèi)預留長3.5 m 的錨桿，用于鎖緊矸石墻。距隔離墻0.5 m 處沿巷道走向設置鋼管混凝土立柱，立柱間距為2.0 m。采用直徑159 mm、壁厚6 mm 的無縫鋼管進行兩端封堵后，采用抬升灌注法注滿水泥，鋼管混凝土柱的高度為3.8 m。同時，在支設鋼管混凝土立柱時，在立柱上方墊設高0.2 m 的方木接頂，以達到讓壓的目的。

3.3 沿空留巷巷道支護技術(shù)

1）沿空留巷巷道超前支護。沿空留巷巷道為28802號工作面下平巷，主要作用為進矸、進風，輔助運料、行人，通過沿空留巷作為下區(qū)段的回風平巷。巷道凈寬4.8 m，凈高4.0 m，凈斷面面積19.2 m2。頂板和上幫采用錨桿+W 鋼帶+鋼筋網(wǎng)支護，下幫采用錨桿+錨帶+塑料網(wǎng)支護。錨桿為Φ22 mm×2 500 mm 的無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿。

2）沿空留巷巷道頂板加強支護。進行沿空留巷前，采用Φ21.8 mm×6 300 mm 的高預應力錨索對巷道頂板進行加強支護。錨索布置在巷道頂板鋼帶之間，錨索預緊力應控制在80 kN。沿空留巷后，采用注漿錨索進行加強支護，注漿錨索布置在2 排超前錨索中部，注漿錨索長度為6 300 mm。注漿孔設置在注漿錨索中部，端部采用3 根樹脂藥卷錨固，最小錨固長度不小于1.5 m。注漿結(jié)束后，根據(jù)裂隙發(fā)育規(guī)律，滯后工作面一定距離進行注漿，至少滯后工作面50 m，從而強化頂板圍巖。

4 深部工作面沿空留巷監(jiān)測

4.1 深部工作面沿空留巷監(jiān)測方法

在矸石墻內(nèi)離地高度分別為2 m 和3 m 處安裝2 個頂板離層儀，監(jiān)測矸石墻的膨脹變形量。同時，在矸石墻中安裝2 個壓力盒，壓力盒間距0.8 m，距底板1.0 m，安裝深度1.5 m。對矸石墻體受壓壓力進行實時監(jiān)測，監(jiān)測情況如圖3 所示。

圖3 矸石墻承載壓力

4.2 巷旁支護結(jié)構(gòu)的承載與變形分析

距離底板2 m 處測點的變形量在監(jiān)測前40 d 內(nèi)緩慢增長，在40 d 時突然增大，隨后趨于平穩(wěn)。距離底板3 m 處測點的變形量在監(jiān)測前40 d 內(nèi)快速增長，在監(jiān)測至40～90d 時變形增長變緩；在監(jiān)測至90～110 d 時變形量再次加速增長，隨后再次變緩，呈現(xiàn)臺階式增長規(guī)律。相比而言，離底板3 m 處的變形量更大，且增大趨勢更顯著。矸石墻內(nèi)的2 個壓力測點均表現(xiàn)出了臺階式增長特征，其中，2 號測點還出現(xiàn)了應力減小的情況。不同高度的測點變形量差異性較大，說明矸石墻不同高度的膨脹變形不均勻。因此，需要加強矸石墻側(cè)向約束，優(yōu)化矸石級配甚至注漿強化，以保證矸石墻快速、穩(wěn)定承載。

5 結(jié)論

1）深部綜采工作面矸石充填后礦壓顯現(xiàn)不劇烈，采空區(qū)上覆巖層產(chǎn)生階段性下沉，但是直接頂冒落高度減小。基本頂下沉受限，上部覆巖破斷、運動特征不明顯。

2）深部矸石充填工作面留巷前采用錨桿+W 鋼帶進行支護，采用矸石墻+鋼管混凝土柱作為巷旁支護結(jié)構(gòu)，臨時支護采用單體配合鉸接頂梁，永久支護采用長錨索+注漿錨索控制頂板實體煤幫，成功實現(xiàn)了深部工作面的沿空留巷。

3）深部沿空留巷矸石墻受載后變形不均勻，矸石墻膨脹變形和承載能力均表現(xiàn)出臺階式增長特征，在受壓承載一定時間后需要強化墻體兩側(cè)的約束，以促使矸石墻能夠加快承載，實現(xiàn)錨索與頂板的協(xié)同變形。