原巷充填無煤柱掘巷技術的應用研究

胡樂天，王民廷

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.中北煤化工有限公司色連二礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

原巷充填無煤柱掘巷是沿空掘巷技術中的一個重要方向，隨著巷道支護技術的不斷發(fā)展，原巷充填無煤柱掘巷的圍巖控制技術也在進行不斷地完善。原巷充填無煤柱掘巷，指在上區(qū)段工作面回采時，利用充填材料對工作面后方擬廢棄的巷道進行充填，待充填體穩(wěn)定后，沿充填體邊緣掘進下區(qū)段的回采巷道。原巷充填無煤柱掘巷與留小煤柱掘巷相比，有很多優(yōu)點，首先充填體抗壓強度高于煤體抗壓強度，具有較好的支撐性能，有利于巷道的支護，其次可以實現無煤柱開采，減少煤炭損失。為了探索沿空巷道圍巖控制和巷旁充填技術，國內許多學者和工程技術人員做了大量研究[1-11]。本文以新莊孜煤礦62310回風巷為工程背景，介紹了原巷充填無煤柱掘巷技術并對巷道支護效果進行分析。

1 工程概況

新莊孜煤礦62310回風巷標高為-735—-775m，該施工段位于Ⅴ線石門以南，-812m南邊界軌道石門以北。上覆B11b煤、下伏B8煤層均未采。62210工作面已收作。62310回風巷沿著上區(qū)段62210回采巷道預充填體掘進，巷道斷面設計為直墻半圓拱形斷面，斷面尺寸為4600mm×3200mm，巷道走向長度為1400m，巷道布置在B10煤中，破頂施工。B10煤頂底板巖性見表1。

表1 B10煤頂底板巖性表

2 原巷充填無煤柱掘巷

原巷充填無煤柱掘巷，在時間上可分為原巷充填階段和無煤柱掘巷階段；在空間上分為上區(qū)段工作面運輸巷充填和下區(qū)段回風巷沿著充填體掘進。原巷充填無煤柱掘巷布置如圖1所示。

圖1 原巷充填無煤柱掘巷布置示意圖

2.1 原巷充填技術

2.1.1 充填材料的選取

充填材料的選取首先要滿足支護頂板的要求，應具有較大的支護阻力；其次應滿足連續(xù)快速充填的要求，充填進度要滿足安全生產要求。62310回風巷幫充填材料為高水速凝材料，有較好的力學性能，對頂板有較高的工作阻力，充填體的強度能達到7MPa，并具有良好的密閉性能，對采空區(qū)封閉性較好，高水速凝材料的充填全程機械化充填，人工輔以送料，極大的提高了充填效率，滿足生產要求。

2.1.2 充填工藝

原巷充填是在上區(qū)段工作面回采時，在工作面后方廢棄巷道內充填。上區(qū)段工作面中夜班回采，早班檢修，故充填時間定為每天早班，每天充填長度與工作面推進度一致。

充填系統包括充填材料制備、充填泵的選取、充填管路敷設、模板搭設，充填，高效穩(wěn)定的充填系統有利于提高充填進度和充填體質量[12]。根據上區(qū)段工作面的布置系統，選擇2ZBYSB300～90/5～15-55型雙液注漿泵，布置在上區(qū)段工作面巷道，采用Φ100mm高壓膠管作為輸送管路將充填材料輸送到充填位置。人工立模，將充填巷道內的浮矸遺煤清理干凈，采用厚度為20mm大板配合直徑Φ200mm木點柱搭設好充填模板，并在充填模板內掛設充填袋，將高壓膠管伸入充填袋內，并用鐵絲扎好進行充填。

2.1.3 充填體參數設計

充填體寬度和充填體工作阻力是安全成巷的重要參數。充填體寬度與充填體的工作阻力充填體寬度過大，造成施工成本過高，不利于節(jié)約成本；充填寬度過小，不能確保巷道安全施工，也不利于巷道的維護。根據62310回風巷的地質條件，充填體寬度和充填體所需強度關系見表2[13]。

表2 充填體寬度和充填體所需強度關系表

由表2可知，充填體寬度與充填體所需強度成反比例關系，充填體寬度從1m增加到3m時，充填體所需強度下降幅度較大，寬度從3m增加到7m時充填體所需強度降幅逐漸減小，62310風巷的巷幫充填體強度在7MPa，從安全和經濟兩方面考慮，充填體寬度選擇3m比較合理。

2.2 無煤柱掘巷圍巖控制方法

根據62310巷道圍巖應力、圍巖強度、充填體強度以及各因素之間的關系，選擇合適的支護形式，降低圍巖應力，增加圍巖強度，改善圍巖受力條件和賦存環(huán)境，以期可以有效地控制圍巖的變形和破壞。

1)采用主動支護方式，沿空掘巷前，上區(qū)段采空區(qū)周圍巖層運動已經穩(wěn)定，沿空掘巷后破壞了原有的平衡，巷道周圍的煤巖出現新破壞區(qū)、塑性區(qū)，通過錨網索主動支護，減少圍巖變形的增長。

2)中空注漿錨索加錨桿、錨索耦合支護，增大巷道圍巖強度，使巷幫充填體與巷道圍巖形成一個整體，優(yōu)化巷道圍巖和巷幫充填體的受力條件和賦存環(huán)境，提高巷道圍巖穩(wěn)定性。

3)采用高強度預應力錨桿，根據組合拱理論[14]：在拱形巷道圍巖破壞區(qū)和塑性區(qū)安裝預應力錨桿，從桿體兩端起形成圓錐形分布的壓應力區(qū)，如果錨桿間距足夠小，各個壓應力圓錐體相互交錯，那么巷道圍巖形成一個均勻的壓縮帶，壓縮拱里面的煤巖處于三向應力狀態(tài)，圍巖強度提高，支撐能力增大。

2.3 無煤柱掘巷支護設計

2.3.1 錨桿支護

巷道支護采用IV級左旋無縱筋專用螺紋鋼加工而成的高性能錨桿，尺寸為Φ24mm×2500mm，間排距800mm×900mm，每排13根錨桿，采用3支Z2560新型全長樹脂錨固劑進行全長錨固，錨桿預緊力矩不低于180N·m，頂部錨桿錨固力不低于100kN，幫部錨桿錨固力不低于80kN。

2.3.2 錨索支護

巷道頂部錨索采用Φ22mm×6300mm高強度低松弛預應力鋼絞線，間排距為900mm×900mm，中空注漿錨索規(guī)格為Φ22mm×4300mm，布置在巷道上幫肩窩處，每排4根普通錨索和1根中空注漿錨索，每根錨索采用3支Z2355中速樹脂藥卷錨固，錨索預緊力120kN，錨固力不低于200kN，錨索錨固段生根在穩(wěn)定巖層1m以上。

2.3.3 網片、托盤及鋼帶規(guī)格

鋼筋網規(guī)格為1800mm×1200mm，塑網規(guī)格為1000mm×2000mm，塑網布置在巖面與鋼筋網之間。鋼筋網之間采用W4型鋼帶壓茬；錨桿托盤采用高強托板，規(guī)格為150mm×150mm×12mm；承載能力不低于錨桿體極限拉斷力；錨索托盤規(guī)格為300mm×300mm×16mm；W鋼帶規(guī)格：采用W4-280型鋼帶護頂，長4900mm。

3 巷道支護效果分析

為了研究對巷道支護效果的評價，對63210回風巷進行布點監(jiān)測。監(jiān)測內容為巷道圍巖表面位移、頂板離層。對多種監(jiān)測資料進行分析和互相驗證，確保監(jiān)測信息的可靠性，用以對設計進行調整優(yōu)化，判斷施工方案的合理性，指導后續(xù)施工[10]。

3.1 巷道監(jiān)測方案

為了更真實的反映巷道掘進下的圍巖變形和支護工作載荷，監(jiān)測點應在巷道撥門施工3～5m時開始安設監(jiān)測點，此后沿著巷道掘進每隔50m安設監(jiān)測點，收集了3個監(jiān)測點的巷道圍巖表面位移、頂板離層數據，監(jiān)測內容見表3。

3.2 巷道監(jiān)測數據分析

1)巷道表面位移隨著開挖時間的變化。巷道表面位移的變化情況是巷道支護穩(wěn)定的表現，在巷道掘進期間，巷道表面不可避免的產生位移，其原因是巖石自重應力和開挖產生的圍巖應力引起的。采用十字布點法，對巷幫和頂底位移進行監(jiān)測，本次收集了3個監(jiān)測點的監(jiān)測數據，巷道表面位移與時間關系如圖2所示。

表3 巷道礦壓監(jiān)測

圖2 巷道表面位移與時間關系圖

由觀測數據可知，在巷道掘進后10d之內巷道掘進后表面位移變化較大，主要由于巷道煤巖體發(fā)生膨脹造成表面位移增加，巷道頂板表面位移達到20mm，巷道兩幫表面位移達到30mm，隨著錨桿、錨索和中空注漿錨索發(fā)揮支護作用，巷道表面位移不受掘進影響，主要是受到巖石流變的影響，其變化量很小并且趨于穩(wěn)定，最終巷道頂板表面位移穩(wěn)定在50mm左右，巷道兩幫表面位移穩(wěn)定在50mm左右，說明錨網索支護有效的控制巷道頂板和幫部的圍巖變形，巷幫充填體強度滿足支撐頂板的要求。巷道底鼓變形量在整個觀測期間為80～200mm，其變形量大的原因是直接底為泥巖，圍巖強度弱；其次是底板未采取支護，巷道圍巖運移是按照最省力的方式運行，故底板變形量比幫頂高。從整個觀測數據來看，巷道表面位移變形量不大，巷道斷面收縮率在11%以下，巷道支護效果良好。

2)巷道頂板離層位移監(jiān)測，巷道頂板離層指示儀可以測試巷道頂板內部的位移變化，也反映出巷道頂板壓力狀況。故此次頂板離層位移監(jiān)測設置淺基點和深基點來觀測頂板沉降值，淺基點布置在巷道頂部2.5m深的砂質泥巖里，其監(jiān)測錨桿長度范圍以內的頂板離層情況，深基點布置在巷道頂部6.5m深的砂巖里，其監(jiān)測錨索長度范圍內的頂板離層情況，其巷道頂板離層與時間關系如圖3所示。

圖3 巷道頂板離層位移與時間關系圖

巷道頂板離層量的大小不僅取決于頂板巖石自重作用因素，還應考慮錨網索支護對其的控制作用，巖石自身因素是客觀的，無法改變，因而錨網索支護則控制頂板離層的關鍵，頂板離層量的大小反映了支護效果的好壞。由圖3可知，巷道開挖以后巷道頂板離層位移隨著掘進天數的推移都有不同程度的增加，淺基點和深基點的離層位移在5～20mm之間，并且在掘進40～50d后趨于穩(wěn)定，說明巷道支護效果良好，錨網索支護和充填體的承載能力得到充分發(fā)揮；深基點頂板離層量包含了淺基點頂板離層量，由圖3(a)、(b)比較可以得出，深基點到淺基點之間未發(fā)生離層現象，說明錨索充分發(fā)揮了懸吊作用，同樣也說明巷道開挖后，巷道頂板的基本頂未發(fā)生離層，巷道離層主要在直接頂段，反映了巷道錨網索支護對頂板離層起到了良好的控制。

4 結 論

1)原巷充填無煤柱掘巷實現煤層無煤柱連續(xù)開采，消除了上下區(qū)段間小煤柱應力集中，提高了資源回收，減少煤炭開采損失，連續(xù)機械化原巷充填，減少人工勞動強度，提高了充填效率，滿足了生產接替要求。

2)合理的充填體寬度與強度既能夠有效的控制上覆頂板巖層下沉，減小頂板離層量，又能夠防止因頂板壓力過大造成充填體失穩(wěn)破壞，解決了沿空掘進支護難的問題。

3)采用錨桿、錨索、中空注漿錨索和鋼筋網聯合支護，使巷道圍巖形成一個整體，提高巷道圍巖強度，減少了巷道圍巖變形，使巷道在掘進期間處于穩(wěn)定狀態(tài)。