松軟煤巖層預掘巷充填體構筑技術研究與應用

戚 洋 賈凱軍 王鵬宇 肖龍正

（中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇省徐州市，221008）

松軟煤巖層預掘巷充填體構筑技術研究與應用

戚 洋 賈凱軍 王鵬宇 肖龍正

（中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇省徐州市，221008）

結合云駕嶺礦12802工作面“三軟”巖層的現(xiàn)狀，根據(jù)從采空區(qū)到相鄰煤體形成的穩(wěn)定區(qū)、減壓區(qū)和增壓區(qū)的應力分布規(guī)律及關鍵層理論，采用ZKD型高水速凝材料構筑充填體，將充填體布置于減壓區(qū)內(nèi)，盡量使其承受較小的壓力，以達到護巷的效果。結果表明：高水速凝材料具有早期和最終強度高、增阻速度快等優(yōu)良性能；所構筑的充填體具有足夠的承載能力和良好的可縮性，使充填體與頂?shù)装鍘r層形成一個完整的支承結構體，并有效地減少了巷道的頂板下沉量。

采空區(qū)充填 高水速凝材料 松軟煤巖層 充填體

隨著煤炭資源的大規(guī)模開采，越來越多的煤礦面臨著資源枯竭的危險，因此提高資源采出率成為了大多數(shù)煤礦重點關注的內(nèi)容。目前，為了隔絕向相鄰采空區(qū)漏風并防止采空區(qū)的積水流入新掘巷道內(nèi)，絕大部分的掘巷都留設有8～15m的煤柱，采用沿空掘巷技術一般也留有3～5m的窄煤柱，這無疑都造成了煤炭資源的浪費（損失2%～3%）。因此采用無煤柱護巷具有十分重要的意義。

高水速凝材料支護有增阻速度快，支護阻力大，充填工藝簡單等優(yōu)良性能。因此，采用高水速凝材料構筑充填體置換窄煤柱，不但提高了煤炭資源采出率，而且改善了安全生產(chǎn)條件。

1 構筑充填體預掘巷圍巖應力分布規(guī)律

工作面開采以后，在采空區(qū)與其相鄰煤體之間的一定范圍內(nèi)形成穩(wěn)定區(qū)、減壓區(qū)和增壓區(qū)，見圖1。由于冒落矸石難以將采空區(qū)全部充滿，老頂下沉到一定程度后會在采空區(qū)邊緣發(fā)生斷裂，煤層頂板彎曲并以一定角度向采空區(qū)傾斜，導致側向支承壓力向煤體內(nèi)轉(zhuǎn)移。在頂板彎曲下沉、支承壓力轉(zhuǎn)移過程中，邊緣煤體被破壞，形成一定厚度的破碎區(qū)，同時，在煤體邊緣一定范圍（一般0～7m）內(nèi)形成應力降低區(qū)。而在采空區(qū)一側，老頂活動趨于穩(wěn)定，應力基本不再發(fā)生變化。

2 高水材料充填體置換煤柱

2.1 充填體圍巖控制機理

根據(jù)關鍵層理論，老頂關鍵層從破斷到形成“砌體梁”平衡結構的過程中，隨著關鍵塊的回轉(zhuǎn)與下沉，巷道基本頂發(fā)生沉降。與此同時，煤幫作為砌體梁的一個承載體始終承受較為集中的支撐壓力，從而導致煤幫發(fā)生嚴重變形。

圖2 預掘巷圍巖結構模型

工作面回采后，采空區(qū)頂板垮落，充填支護體外側的偽頂及直接頂在自重與充填支護體及單體支柱的支撐下，沿走向方向破斷，形成“支柱—充填支護體—煤壁”的邊界支護結構。從采場角度分析，由于采動空間大、圍巖活動時間長，老頂巖層總的運動趨勢不會因充填體支護這一技術因素有所改變，仍會在巷道以及煤壁邊緣形成低應力區(qū)。隨著工作面回采，老頂?shù)某醮蝸韷杭爸芷趤韷阂来伟l(fā)生，采空區(qū)冒落矸石進一步被壓實，對老頂起到很大的支撐作用，巷道頂板因受到巷旁支護體的支撐作用，其下沉量遠小于采空區(qū)頂板的下沉量。而基本頂則發(fā)生旋轉(zhuǎn)下沉直至穩(wěn)定，形成砌體梁結構。預掘巷圍巖結構模型如圖2所示。

2.2 充填體力學模型

如圖2所示，下區(qū)段巷道掘進之前，充填體布置在減壓區(qū)內(nèi)，受到上覆巖層的壓力很小。在關鍵塊的回轉(zhuǎn)下，充填體左邊界緊靠煤體，隨著關鍵塊的回轉(zhuǎn)，左邊界受到的部分壓力由煤體來承擔，而右邊界（采空區(qū)側）則會受到相對較大的回轉(zhuǎn)壓力。充填體下邊界受到底板的支撐作用，垂直方向位移相對較小，可以認為下邊界給定垂直位移為零，據(jù)此可建立充填體力學模型，見圖3。

圖3 充填體力學模型

2.3 高水速凝材料充填體置換關鍵技術

保持充填體穩(wěn)定是控制圍巖穩(wěn)定的關鍵，因此必須提高充填體的承載能力及穩(wěn)定性。充填體越寬護巷效果越好，但成本也會相應增加，所以應該選擇合理的充填體寬度。充填體寬度d主要由切頂阻力、充填體強度確定，見式（1）。

式中：k1——充填體強度降低系數(shù)，取0.85；

σ——充填體的強度，MPa；

Pq——切頂阻力，MPa。

3 工程實例

3.1 工程地質(zhì)及運輸平巷支護情況

云駕嶺礦12802工作面位于井田二水平八采區(qū)，設計走向長度平均為1550m，傾斜長度平均為180m。主采2＃煤層，煤層賦存較穩(wěn)定，煤層平均厚度3.2m，煤巖層傾角平均為25°。

2＃煤層有一層厚度為0.5～1m的偽頂，泥質(zhì)粉砂巖，遇水易軟化，揭露后易跨落；直接頂為粉砂巖，厚3.3m，裂隙發(fā)育；老頂為細粒砂巖，平均厚8.3m；直接底為粉砂巖，厚5.2m；老底為細粒砂巖，厚4.1m。

12802工作面運輸平巷沿煤層頂板布置，采用梯形斷面，斷面寬3.8m，中高2.8m。頂板支護采用“錨網(wǎng)＋小孔徑預應力錨索補強”的聯(lián)合支護形式。頂錨桿長2.4m，間排距為0.8m×0.9m；頂錨索采用“鳥窩”錨索，錨索長7m，直徑17.8mm，間排距為1.8m×1.2m。幫錨桿長2.4 m，為滿足均勻壓縮帶即“擋固層”有一定厚度的要求，錨桿間排距取為0.9m×0.9m；幫錨索采用“鳥窩”錨索，錨索長4.3m，直徑17.8mm。運輸平巷支護斷面如圖4所示。

圖4 12802面運輸平巷支護斷面圖

3.2 巷旁充填材料

充填支護體應具有早期強度高、增阻速度快的力學特性。支護體緊隨工作面構筑，及時對偽頂及直接頂進行支護，確保巷道內(nèi)頂板不破碎，同時避免其與上部基本頂離層，并切斷采空區(qū)側的偽頂及直接頂，以減小充填體所承受的載荷。

表1 ZKD高水速凝材料凈漿單軸抗壓強度

由中國礦業(yè)大學研制的ZKD型新型高水速凝充填材料固結體抗壓強度比原高水材料平均提高40%～50%，凝固速度快，承載和變形性能好，可根據(jù)工程需要對材料強度和凝固時間進行調(diào)控。該材料由甲料、乙料兩種組分構成，二者以重量比1∶1配合使用。其中甲料以硫鋁酸鹽水泥熟料為基材，與懸浮劑及少量超緩凝劑混磨而成，乙料由石灰、石膏、懸浮劑和復合速凝早強劑等混磨而成。針對12802工作面運輸平巷具體情況，選用袋裝凈漿材料進行充填。ZKD型高水速凝材料單軸抗壓強度見表1。

3.3 巷旁充填體位置

綜合考慮12802綜采面運輸平巷頂?shù)装寮皣鷰r松軟情況，將充填體置于巷道內(nèi)，緊貼下幫，即充填體與下幫之間不留空間，使其發(fā)揮小煤柱的作用，以節(jié)約資源，達到充分開采的效果。

3.4 充填體參數(shù)

充填體取梯形斷面，上底長3m，下底長2m，沿傾斜方向?qū)?m。充填體由充填袋及注入袋中的高水速凝材料組成。充填袋由優(yōu)質(zhì)風筒布制作而成，同時在充填體中置入4個錨栓，使其由二向受力狀態(tài)變成三向受力狀態(tài)，支護強度得到明顯提高。充填體采用錨栓托盤配合金屬鋼帶或梯子梁進行側向支護，必要時可掛金屬網(wǎng)，以提高充填體的強度和整體穩(wěn)定性。充填體中錨栓的布置如圖5所示。

3.5 充填設備選型

由于12802綜采面運輸平巷鋪設有帶式輸送機等大型設備，故將充填泵站布置在距最遠充填點約2300m左右的上部車場附近。因此，充填體的構筑選用長距離水力泵送充填工藝。因運輸平巷高度較大，構筑單位長度的充填體需要的充填材料較多，經(jīng)計算選用輸送流量近200L／min的充填泵可滿足要求。充填泵選為2ZBYSB－200－50／5－15－37煤礦用雙液變量注漿泵。其最大流量200L／min，壓力5～15MPa，輸入功率37kW。

圖5 充填體間錨栓的位置示意圖

充填管路分別由KJR25高壓膠管和?32mm（1.25英寸）無縫鋼管組成。輸料管路有兩趟，均從泵站到充填點，分別輸送甲、乙料。為使充填方便可靠，充填泵與鋼管之間以及充填鋼管與混合器間均用高壓膠管過渡連接，混漿管采用高壓膠管。膠管與鋼管間用快速接頭相配合。

3.6 充填區(qū)域頂板管理

原巷道頂板有厚為0.5～1m的偽頂，圍巖較破碎，給錨桿加固和掘巷帶來極大困難，因此選用鳥窩錨索及鋼帶進行加強支護。在充填體外側需架設長約10～12m的兩道走向梁，走向梁與充填體之間留有700mm的行人空間。采用金屬鉸接頂梁加單體液壓支柱對頂板進行支護，采空區(qū)側最好掛設擋矸簾。

4 礦壓觀測

構筑充填體期間，沿12802工作面走向方向，共布置5個觀測點，觀測點間距為100m，每天對各測點觀測一次。對各測點的觀測結果做加權平均處理后，可得到頂板下沉量的變化情況，見圖6。

圖6 上下幫側頂板下沉量與工作面距離關系

由圖6可見，在工作面后方20m以外，頂板下沉速度明顯加快，靠近采空區(qū)側的頂板下沉速度大于靠近煤幫側的；離工作面80m左右，頂板活動趨于穩(wěn)定，頂板的平均下沉量為115mm。另外，通過觀測得知，充填體承受的最大載荷為4.2 MPa。由于充填體具有可伸縮性，且能承受10 MPa壓力，故整體較為完整。

5 效益分析

該技術提高了煤炭資源回收率，延長了礦井的服務年限，緩解了煤炭生產(chǎn)中普遍存在的采掘接替緊張問題。采用充填體置換窄煤柱，其強度大，改善了巷道支護效果。

巷道長度按1550m計算。若采用充填體置換窄煤柱預掘巷技術，充填高水材料耗費2506元／m，充填袋折合300元／m，人工費折合280元／m，其它費用折合210元／m，新掘進巷道綜合成本約為3200元／m，則總成本為1006.88萬元。若采用沿空掘巷技術，保護煤柱留設按5m寬計算，煤的容重為1.8t／m3，則煤炭損失為44640t，平均效益630元／t，經(jīng)濟損失為2812.32萬元；新掘巷道綜合成本約為4500元／m，成本為697.5萬元，則總成本為3509.82萬元。由此可得采用充填體置換窄煤柱預掘巷技術可獲得經(jīng)濟效益2502.94萬元。

因此，采用充填體置換窄煤柱預掘巷技術給云駕嶺礦帶來了較大的社會效益與經(jīng)濟效益。

6 結語

ZKD型新型高水速凝材料具有增阻速度快、早期強度高等力學特性，能及時支護頂板，有效地控制圍巖變形，完全適用于構筑充填體預掘巷技術。其技術作為綠色開采的一部分，是一項能促進礦井安全生產(chǎn)并提高礦井開采水平的先進的科技工藝，能給煤礦帶來較大的社會效益與經(jīng)濟效益。

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［6］ 權景偉，柏建彪，種道雪等.沿空留巷錨桿支護技術研究及應用［J］.煤炭科學技術，2006（12）

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Research and application of technique of constructing filling body in pre－driven roadway in soft coal seam

Qi Yang，Jia Kaijun，Wang Pengyu，Xiao Longzheng
（School of Mining Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

Aiming at the characteristic of soft coal seam with soft roof and soft floor in No.12802workface in Yunjialing Coal Mine，and according to the laws of stress distribution of stable zone，decompressing zone and pressurizing zone from the gob to its adjacent coal body and the key strata theory，this paper uses ZKD high－water rapid hardening material to construct filling body，which is arranged in decompressing area to make it bear less pressure as far as possible to achieve the best result of supporting the roadway.The results show：high－water rapid hardening material possesses the advantages of high strength and quick increasing resistance；the filling body has enough bearing capacity and good retractility to make the filling body and rocks of the roof and the floor form a complete supporting structure，and effectively decrease the subsidence of the roadway roof.

gob filling，high－water rapid hardening material，soft coal rock，filling body

TD353.7

B

戚洋（1987－），男，漢族，山東淄博人，中國礦業(yè)大學采礦工程研究生，主要從事充填開采及沿空留巷等采礦工程方面的研究工作。

（責任編輯 張毅玲）