深部煤層綜采工作面高水材料沿空留巷技術(shù)

呂林尊

（江蘇礦業(yè)工程集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221141）

沿空留巷即在工作面回采過(guò)程中，通過(guò)有效的巷旁支護(hù)和巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)，將本工作面的回采巷道保留下來(lái)，作為鄰近工作面的一條回采巷道使用，這種保留巷道的施工技術(shù)稱之為沿空留巷[1-2]，如圖1所示。沿空留巷減少了巷道掘進(jìn)量，縮短了工作面的準(zhǔn)備時(shí)間。隨著煤礦開(kāi)采深度的加深，礦井災(zāi)害愈加嚴(yán)重，傳統(tǒng)的小煤柱沿空掘巷已不能滿足礦井采掘接替的需要。為了解決這一問(wèn)題，前人將高水材料應(yīng)用到沿空留巷布置中，對(duì)工作面過(guò)空巷基本頂力學(xué)模型失穩(wěn)機(jī)理和采用高水材料局部充填法進(jìn)行了探究，并對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行了劃分規(guī)劃[3]。

1 高水充填材料的確定

沿空留巷施工地點(diǎn)位于采空區(qū)邊緣，因此巷道保留期間必然受到上區(qū)段采掘應(yīng)力場(chǎng)的影響[4]。在基本頂經(jīng)歷斷裂失穩(wěn)到回轉(zhuǎn)下落壓實(shí)采空區(qū)的過(guò)程中，沿空巷道內(nèi)的頂?shù)装逡约俺涮铙w受力情況也隨之發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。充填體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化，將要求充填體具有良好的塑性，以防止在動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)作用下，充填體內(nèi)裂隙過(guò)度發(fā)育，最終導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)和自然發(fā)火[5]。

圖1 沿空留巷示意圖

高水材料是一種能在高水灰比條件(W/C=1.3:1～3:1)下快速凝結(jié)的無(wú)機(jī)膠凝材料。與普通水泥漿液相比，該材料不僅凝結(jié)速度快，而且材料凝結(jié)后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系屬于塑-彈-塑類型，達(dá)到屈服應(yīng)力后，高水材料將不會(huì)迅速產(chǎn)生塑性破壞，峰值前應(yīng)變可達(dá)到2.0%～4.5%。同時(shí)高水材料是由甲料漿與乙料漿組合而成，且甲料漿、乙料漿單獨(dú)與水混合24h不凝結(jié)，但通過(guò)高水材料雙路水力充填工藝系統(tǒng)后，甲料漿和乙料漿相互混合則快速凝結(jié)硬化。

2 95215綜采工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件

95215綜采工作面位于-1025m水平西一下山采區(qū)東翼，西翼為95214綜采工作面采空區(qū)，淺部為95213綜采工作面采空區(qū)，深部為9煤未采區(qū)。95215皮帶順槽正上方為未采區(qū)，95215工作面平均走向長(zhǎng)度680m，工作面長(zhǎng)180m，該工作面平均采高3.2m，煤層平均傾角9°。

頂板巖性為：基本頂為細(xì)砂巖，厚度為10.9m，硬度為4；直接頂為細(xì)砂巖，厚度為1.8m，硬度為4。

底板巖性為：直接底為泥灰?guī)r，厚度為0.4～1m，硬度為3.0；基本底為砂巖互層，厚度為22.5～27.4m，硬度為 3.5。

3 沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)

95215綜采工作面皮帶順槽切眼下出口，留巷長(zhǎng)度約530m，留巷寬度為4.6m。工作面皮帶順槽巷道高度為3m，實(shí)際回采過(guò)程中，刮板輸送機(jī)機(jī)頭采高控制在2.8m。根據(jù)該工作面頂?shù)装鍘r層情況，通過(guò)理論計(jì)算并參考以往的工程實(shí)踐，初步確定高水材料水灰比為1.6:1（即1kg高水材料加1.6kg水）、巷旁充填體寬度為2.0m。充填體建模加固材料為：點(diǎn)焊金屬網(wǎng)Φ6.5mm圓鋼加工，對(duì)拉鋼筋為Φ22mm×2400mm高強(qiáng)度螺紋鋼、Φ12mm×2400mm鋼筋梯子梁。工作面皮帶順槽沿空留巷加強(qiáng)支護(hù)平面圖如圖2所示。

3.1 留巷巷內(nèi)頂板加強(qiáng)支護(hù)

（1）距充填體0.9m、距實(shí)煤體1.35m處沿巷道走向各扶1排鉸接頂梁支護(hù)，使用3.15m單體液壓支柱配合1m鉸接頂梁。

（2）超前工作面距工作面?zhèn)让罕?.4m處沿巷道走向施工一排錨索對(duì)巷道頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索規(guī)格為Φ18.9mm×5300mm，間距1800mm。

3.2 充填區(qū)域上方頂板支護(hù)

采煤機(jī)機(jī)頭割通后，對(duì)1#～4#液壓支架前梁處頂板進(jìn)行“錨、網(wǎng)、梁”聯(lián)合支護(hù)。鋪設(shè)2卷3000mm×1000mm的金屬卷網(wǎng)，Φ12mm×3200mm鋼筋梯子梁，每排施工5根Φ22mm×2400mm錨桿，錨桿間排距為900mm×900mm，第一根錨桿距皮帶順槽原巷道上幫150mm。

圖2 工作面皮帶順槽沿空留巷加強(qiáng)支護(hù)平面圖

3.3 支架后方采空區(qū)支護(hù)

（1）當(dāng)工作面開(kāi)始回采后，隨著工作面液壓支架的前移在支架后方使用3.15m單體液壓支柱配合1m鉸接頂梁扶兩排走向金屬鉸接頂梁架棚，邁步支護(hù)。架棚單體液壓支柱距1m，架棚之間排距0.3m。兩排架棚邁步向前打扶。待充填體與密集點(diǎn)柱之間留設(shè)不小于0.8m的工作空間。

（2）當(dāng)工作面開(kāi)始回采后，隨著支架的前移在支架后方扶兩排走向點(diǎn)柱支護(hù)頂板，也為充填體建模做準(zhǔn)備工作。在原巷幫位置打扶一排點(diǎn)柱，點(diǎn)柱間距1m。兩排點(diǎn)柱之間排距為2.0m。每排四棵單體打完后，開(kāi)始施工充填體加強(qiáng)支護(hù)，如圖3所示。

（3） 在1#液 壓 支 架 后 方 施 工1根Φ18.9mm×5300mm錨索，間距1800mm，對(duì)施工充填體工作區(qū)域頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

圖3 支架后方加強(qiáng)支護(hù)剖面圖

3.4 充填體加強(qiáng)支護(hù)

（1）充填體加固方案：對(duì)拉錨桿采用Φ22mm×2400mm螺紋鋼兩端各車絲200mm，間排距為800mm×800mm，最下面1根距底板200mm，最上面1根距頂板200mm。每排用一根Φ12mm×2400mm的鋼筋梯子梁，金屬網(wǎng)采用Φ6.5mm圓鋼加工，網(wǎng)孔不大于100mm×100mm。95215綜采工作面充填體加固示意圖如圖4所示。

（2）提前扶好液壓?jiǎn)误w支柱，支柱間距不大于1m，支柱緊貼充填體空間邊緣打扶。將充填袋掛好并固定，充填袋與金屬網(wǎng)之間、金屬網(wǎng)與單體之間、金屬網(wǎng)與梯子梁之間用不小于10#鐵絲捆緊。

圖4 95215綜采工作面充填體加固示意圖

4 充填體受力及留巷效果分析

4.1 充填體受力分析

煤層回采打破了圍巖的初始應(yīng)力平衡，應(yīng)力場(chǎng)重新分布。隨著工作面不斷地向前推進(jìn)，形成了“煤壁—已冒落矸石”的支撐體系。鑒于上覆巖層的垮落多形成應(yīng)力拱結(jié)構(gòu)，因此煤壁的一端以及采空區(qū)的后方將承受采空區(qū)上方裸露巖石的大部分重量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)充填體載荷數(shù)據(jù)表明：在工作面后方10～20m間載荷較小，低于50kN，屬于卸壓區(qū)范圍；20～60m間隨工作面逐漸向前推進(jìn)，對(duì)拉錨桿載荷逐漸升至最大值165kN，屬于應(yīng)力集中區(qū)范圍；110m后頂板巖層已經(jīng)逐漸穩(wěn)定，錨桿載荷逐漸降至100kN并穩(wěn)定下來(lái)。充填體液壓枕觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)拉錨桿所承受載荷總體較大，最大值為156kN。

4.2 留巷效果分析

工作面的回采作業(yè)也將引起上覆巖層運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)是自下而上發(fā)展的，具有明顯的滯后現(xiàn)象。因此在工作面后方110m以外頂板下沉趨向穩(wěn)定，頂板最大下沉量小于300mm，巷道變形以底鼓為主。相鄰工作面回采前集中臥底施工，不會(huì)影響生產(chǎn)。同時(shí)由于整體澆注巷旁充填技術(shù)以及巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，使得留巷兩幫移近量不大于500mm、頂?shù)装逡平坎淮笥?200mm。

5 經(jīng)濟(jì)效益

充填體高度為2.8m，寬度為2m，每班充填長(zhǎng)度3m，需要9人施工，沿空留巷每米材料成本估算為6820.5元/m。

按噸煤利潤(rùn)200元計(jì)算，則5m護(hù)巷煤柱每米經(jīng)濟(jì)效益為：

200元/噸×5m×3.2m（采高）×1.35噸/m3（煤體密度）=4320元/m

新掘1條巷道綜合成本為4210元/m，則留巷每米效益為：

4320＋4210－6820.5＝1709.5元/m。