高瓦斯突出煤層原位充填沿空留巷技術(shù)研究

劉雨濤，李其振，王鵬偉

(1.貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司，貴州 畢節(jié) 551500；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

高瓦斯礦井巷道掘進(jìn)過程中易出現(xiàn)瓦斯突出、巷道內(nèi)隅角瓦斯積聚、巷道掘進(jìn)速度慢等問題，從而造成礦井生產(chǎn)采掘接替緊張。沿空留巷采用Y型通風(fēng)方式，可有效防止上隅角瓦斯積聚，減少巷道掘進(jìn)工程量，避免出現(xiàn)瓦斯突出現(xiàn)象，提高了煤炭回采率和巷道使用率，是一項(xiàng)綠色、高效的煤礦開采技術(shù)[1-3]。目前，高山煤礦接替工作面瓦斯含量高，區(qū)域效檢指標(biāo)不合格，運(yùn)輸平巷停掘2個(gè)月，采掘嚴(yán)重失調(diào)。為保證礦井安全高效生產(chǎn)，采用Y型通風(fēng)方式進(jìn)行瓦斯治理，選用具有前期支護(hù)阻力大、增阻速度快、易切頂、密閉性較好的預(yù)制混凝土砌塊的原位充填沿空留巷支護(hù)技術(shù)是解決這一難題的有效途徑。

一直以來，沿空留巷技術(shù)都是我國(guó)煤炭開采的重要技術(shù)發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在沿空留巷理論與技術(shù)方面做了大量的研究工作[4-6]。特別是針對(duì)有墻體護(hù)巷的留巷方法研究，羅中[7]認(rèn)為留巷支護(hù)體應(yīng)布置在“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”范圍內(nèi)，并依據(jù)地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)巷旁充填體強(qiáng)度，提出有效的巷內(nèi)、巷旁聯(lián)合支護(hù)方案；李迎富等[8]基于關(guān)鍵塊滑落失穩(wěn)及擠壓變形失穩(wěn)的判別條件,提出巷旁支護(hù)阻力的計(jì)算公式；陳勇等[9]研究得到巷旁支護(hù)體設(shè)置后可快速增阻、及時(shí)支撐頂板、上覆巖層劇烈活動(dòng)穩(wěn)定前有較大的變形能力及穩(wěn)定后有較高的后期強(qiáng)度的作用機(jī)制。到目前為止，沿空留巷技術(shù)的主要支護(hù)形式有木垛(密集支柱)留巷、矸石帶留巷、預(yù)制混凝土砌塊墻留巷等多種形式[10-12]。付東輝[13]通過對(duì)覆巖大小結(jié)構(gòu)理論、巷旁支護(hù)理論、砌墻不同位置時(shí)沿空巷道特點(diǎn)等進(jìn)行分析，在新發(fā)礦5101工作面成功進(jìn)行預(yù)制混凝土砌塊隔離墻沿空留巷；畢俊剛等[14]通過對(duì)王莊煤礦綜放沿空留巷進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為充填體寬度不能改變頂板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但隨著充填體寬度的增加，巷道頂板下沉量、實(shí)體煤幫鼓出量都呈下降趨勢(shì)?；谘乜樟粝锉姸嗬碚撗芯颗c井下應(yīng)用，大都集中在支護(hù)阻力、強(qiáng)度、材料的設(shè)計(jì)方面，對(duì)原位充填體砌筑位置及寬度等參數(shù)的確定，特別是針對(duì)高瓦斯突出礦井沿空留巷的研究較少。

以貴州高山煤礦9#煤層1902工作面運(yùn)輸平巷為研究對(duì)象，基于高瓦斯易突軟弱煤層地質(zhì)條件，采用預(yù)制砌塊隔離墻原位充填沿空留巷技術(shù)，通過理論計(jì)算與數(shù)值模擬軟件FLAC3D研究原位沿空留巷內(nèi)砌塊隔離墻不同寬度條件下巷道圍巖塑性破壞等情況，從而確定合理的隔離墻寬度，保證1902工作面運(yùn)輸平巷沿空留巷的成功，可為類似條件煤礦應(yīng)用沿空留巷技術(shù)提供借鑒。

1 工作面概況

高山煤礦一采區(qū)1902工作面位于+1 100 m水平，工作面標(biāo)高+1 068～+1 143 m，地面標(biāo)高+1 330～+1 420 m，煤層平均厚度約2.8 m，平均傾角13°，為不易自燃煤層，工作面相對(duì)瓦斯涌出量為3.27 m3/t，屬煤(巖)與瓦斯突出礦井。該工作面回風(fēng)平巷長(zhǎng)610 m，運(yùn)輸平巷長(zhǎng)634 m，采煤工作面傾斜長(zhǎng) 176 m，回風(fēng)及運(yùn)輸平巷均為斜矩形斷面，凈寬4.8 m、中高2.9 m，掘進(jìn)斷面積為15.1 m2，凈斷面積為 14.0 m2。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 高山煤礦9#煤層頂?shù)装迩闆r

1902工作面原采用U型通風(fēng)方式，回采期間工作面頻頻出現(xiàn)上隅角瓦斯超限現(xiàn)象，下一接替工作面(1903采煤工作面)由于瓦斯含量較高，區(qū)域效檢指標(biāo)不合格，1903運(yùn)輸平巷停掘，采掘嚴(yán)重失調(diào)。為此，高山煤礦將正處于回采中的1902運(yùn)輸平巷進(jìn)行沿空留巷，將其留作1904采煤工作面的回風(fēng)平巷，從而減少瓦斯突出與巷道掘進(jìn)量，加快后續(xù)采面的布置，緩解采掘接替緊張局面。

2 預(yù)制砌塊隔離墻留巷方案確定

2.1 隔離墻體位置選擇

根據(jù)9#煤層頂板巖性分析，該煤層頂板為粉砂或細(xì)砂巖，厚度大，較穩(wěn)定，且1902運(yùn)輸平巷掘進(jìn)期間除了終采線附近外其余地方均未揭露較大斷層，頂板狀況良好。1902工作面運(yùn)輸平巷原支護(hù)方式為錨網(wǎng)索支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度較高，利于留巷期間頂板及支護(hù)管理。同時(shí)，1902工作面運(yùn)輸平巷掘進(jìn)斷面較大，平均凈寬達(dá)到4.8 m，留巷寬度可達(dá)到2.0 m以上，具有較好的留巷條件。綜合對(duì)比分析，將混凝土砌塊隔離墻布置在巷道內(nèi)優(yōu)勢(shì)明顯，隔離墻體布置如圖1所示。

圖1 巷內(nèi)布置支護(hù)體沿空留巷示意圖

2.2 砌墻寬度設(shè)計(jì)

2.2.1 砌墻寬度設(shè)計(jì)力學(xué)計(jì)算

根據(jù)力學(xué)模型及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，得到充填墻體砌筑寬度上下限理論公式[15]。

巷內(nèi)充填墻體寬度上限取值為：

(1)

式中：a為支撐墻體的寬度,m；R為支撐墻體的強(qiáng)度,MPa；h1、h2分別為直接頂、直接底的厚度,m；E、E1、E2分別為巷內(nèi)墻體、直接頂和直接底巖體的彈性模量,MPa；m為煤層的厚度,m；k為直接頂碎脹系數(shù)；l為關(guān)鍵塊體的長(zhǎng)度,m；δ為墻體充填時(shí)形成的空頂量,m；b為巷道寬度,m；x0為基本頂旋轉(zhuǎn)基點(diǎn)到煤幫的水平距離,m。

巷內(nèi)充填墻體寬度下限取值為：

(2)

式中：n為墻體所受到頂板壓力，一般相當(dāng)于 4～8 倍采高的巖體重量,MPa；ρ為直接頂?shù)膸r體平均密度，kg/m3；g為重力加速度，一般取9.8 m/s2；σ為巷旁墻體的初期強(qiáng)度,MPa。

結(jié)合高山煤礦相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，取h1、h2分別為0.57、2.60 m,E、E1、E2分別為3.5×103、(5.48～20.78)×103、(3.65～7.31)×103MPa，煤層平均厚度m為2.8 m，k取1.3～1.4，l根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取2.1～2.8 m,δ取0.05～0.16 m，巷道寬度b為4.8 m。經(jīng)上述公式計(jì)算，得到混凝土砌塊隔離墻的寬度設(shè)計(jì)范圍為 0.72～1.68 m。

2.2.2 不同墻體寬度留巷方案選定

基于理論計(jì)算得到的充填墻體寬度范圍，提出3種隔離墻寬度留設(shè)方案：方案1，隔離墻寬度0.8 m；方案2，隔離墻寬度1.2 m；方案3，隔離墻寬度 1.6 m。采用FLAC3D軟件模擬不同隔離墻寬度條件下圍巖巷道塑性破壞、應(yīng)力變化和圍巖變形情況。

1)巷道圍巖塑性狀態(tài)分析

3種方案巷道圍巖塑性狀態(tài)分布如圖2所示。由圖2可知，從隔離墻采空區(qū)側(cè)上方頂板應(yīng)力狀態(tài)變化分析隔離墻切頂能力強(qiáng)弱，方案3的留巷充填體上方頂板出現(xiàn)明顯的拉剪破壞，塑性區(qū)破壞范圍較大，切頂能力最強(qiáng)；其次是方案2，最差的是方案1。說明在同樣隔離墻強(qiáng)度條件下，隨著隔離墻寬度的增加，隔離墻切頂能力會(huì)增強(qiáng)。

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

2)沿空巷道兩幫應(yīng)力分析

在3種方案模擬過程中，對(duì)留巷的煤體與隔離墻承受垂直應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，巷道圍巖應(yīng)力具體分布情況如圖3所示。

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

煤體應(yīng)力曲線、砌筑隔離墻體應(yīng)力曲線分別見圖4、圖5，可以看出，方案1、方案2、方案3的煤體應(yīng)力峰值分別為26.6、24.8、24.3 MPa，其對(duì)應(yīng)充填墻體應(yīng)力峰值分別為33.6、30.0、29.2 MPa。隨著隔離墻寬度增加，墻體承受的垂直壓力越大，應(yīng)力集中系數(shù)也就越高，相對(duì)應(yīng)的留巷煤體側(cè)承受的垂直壓力減小，應(yīng)力集中系數(shù)降低，這種變化在方案1、方案2之間尤為明顯，在方案2、方案3之間仍然符合這種規(guī)律，但變化已經(jīng)不是很明顯。即增加隔離墻寬度有利于減小巷道煤幫的承壓和變形，但有一定的范圍，且隨著巷旁充填隔離墻體寬度的增加，留巷充填隔離墻體的承載能力越強(qiáng)，巷道圍巖越穩(wěn)定。

圖4 煤體應(yīng)力曲線

圖5 砌筑隔離墻體應(yīng)力曲線

3)巷道變形量分析

將方案1、方案2、方案3中留巷兩幫位移情況作對(duì)比分析，計(jì)算3種方案兩幫移近量大小關(guān)系：方案1>方案2>方案3。圖6、圖7分別為方案2巷道垂直位移、水平位移分布圖。其中方案1煤體水平移近量超過170 mm，隔離墻水平移近量達(dá)到 70 mm；煤體和隔離墻已經(jīng)被壓壞，產(chǎn)生塑性流動(dòng)，所以在工作面推過監(jiān)測(cè)點(diǎn)約35 m后，兩幫變形持續(xù)增大。方案3中兩幫水平位移的規(guī)律與方案2中的基本一致，不同之處在于，方案3的水平移近量比方案2更小，對(duì)圍巖的控制效果更好，但總體來說，二者相差不大。

圖6 方案2巷道垂直位移分布圖

圖7 方案2巷道水平位移分布圖

將方案1、方案2、方案3中留巷兩幫移近量及頂?shù)装逦灰魄闆r作對(duì)比分析，如圖8、圖9所示。就頂板下沉量來說，方案1最大，方案2次之，方案3最小，隨著隔離墻寬度的增加，巷道的頂板下沉量會(huì)減小；方案2與方案3中煤體側(cè)頂板下沉量與隔離墻側(cè)頂板下沉量相差為150 mm左右，而方案1中巷道兩側(cè)頂板下沉量相差超200 mm。所以從隔離墻與煤體變形協(xié)調(diào)方面來講，方案1最差，方案2、方案3相差不大；方案1中隔離墻側(cè)巷道頂板在工作面推過監(jiān)測(cè)點(diǎn)100 m后仍然持續(xù)變形，隔離墻已經(jīng)被壓壞。

圖8 巷道圍巖兩幫移近量曲線

圖9 巷道圍巖頂?shù)装逡平壳€

綜上所述，方案1不能滿足安全生產(chǎn)的要求，不予采納；方案3對(duì)頂板、煤體的控制效果優(yōu)于方案2，但對(duì)底板的控制比方案2差，總體來說二者對(duì)圍巖控制效果相當(dāng)，均能滿足安全生產(chǎn)的要求；方案2的生產(chǎn)成本低于方案3，故選用方案2，即隔離墻寬度確定為1.2 m。

3 工程應(yīng)用

3.1 預(yù)制砌塊隔離墻工藝流程

沿空留巷巷道施工基本可分為4個(gè)步驟，支架移架后為防止采空區(qū)空頂施工，必須對(duì)頂板采取有效臨時(shí)支護(hù)后方可進(jìn)行其他作業(yè)，順序?yàn)椋褐Ъ芤萍堋R時(shí)支護(hù)→施工木垛(開始留巷時(shí)打設(shè))→密集點(diǎn)柱加強(qiáng)支護(hù)→混凝土預(yù)制塊砌墻→施工隔離矸石袋墻(每6 m一個(gè))。

混凝土預(yù)制塊按水灰比為0.5、石灰比為5(質(zhì)量比)的比例進(jìn)行配制，混凝土砌塊強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C20?；炷疗鰤K長(zhǎng)度×寬度×厚度=400 mm×200 mm×150 mm。待混凝土砌塊放置28 d后達(dá)到100%設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)才可進(jìn)行搬運(yùn)、堆放、砌筑。按砌塊排列組砌圖在墻體線范圍內(nèi)分塊定尺、劃線、組塊，砌塊排列組砌圖如圖10所示。

圖10 墻體砌塊排列示意圖

3.2 留巷效果分析

將隔離墻寬度設(shè)計(jì)為1.2 m，對(duì)高山煤礦1902工作面運(yùn)輸平巷進(jìn)行原位沿空留巷，沿空留巷隔離墻布置如圖11所示。通過對(duì)巷道變形情況與混凝土砌塊墻受力情況進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，以檢測(cè)留巷效果，并為后續(xù)留巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

圖11 留巷隔離墻布置示意圖

1)巷道變形控制效果分析

在1902工作面運(yùn)輸平巷中共布置5個(gè)巷道變形觀測(cè)面，每個(gè)觀測(cè)面相距30 m，觀測(cè)內(nèi)容主要是頂?shù)装逑鄬?duì)移近量和兩幫相對(duì)移近量。沿空留巷頂?shù)装?、兩幫各測(cè)點(diǎn)移近量如圖12、圖13所示。

圖12 沿空留巷頂?shù)装甯鳒y(cè)點(diǎn)移近量

圖13 沿空留巷兩幫各測(cè)點(diǎn)移近量

由圖12、圖13可見，砌墻沿空留巷后變形明顯增大，但總變形量在觀測(cè)期內(nèi)并不是很大，后期頂?shù)装迤骄傄平炕揪S持在250 mm±50 mm，兩幫平均總移近量維持在200 mm±20 mm。巷道有一些底鼓，但和一些深部巷道的底鼓相比，底鼓值較小，墻體基本上穩(wěn)定，只是在個(gè)別地點(diǎn)，受地質(zhì)構(gòu)造影響，巷道變形略大?？傮w來說，沿空留巷是穩(wěn)定的。

2)混凝土砌塊墻受力分析

在沿空留巷中每隔50 m在墻體底部布置1個(gè)壓力計(jì)，第1個(gè)壓力計(jì)距離開切眼50 m，使用數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)，墻體應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖14所示。

圖14 墻體應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)壓力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，砌墻約130 m以后，墻體受力比較穩(wěn)定。

綜合以上監(jiān)測(cè)結(jié)果，評(píng)價(jià)1902工作面運(yùn)輸平巷沿空留巷效果總體良好。利用混凝土砌塊墻作為原位沿空留巷支護(hù)可以有效控制頂板下沉，保證所留巷道的整體穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1)選用預(yù)制混凝土砌塊的原位充填沿空留巷支護(hù)技術(shù)，將隔離墻體布置在巷道內(nèi)進(jìn)行原位充填，并通過理論計(jì)算，得到隔離墻體砌筑寬度范圍為0.75～1.68 m。

2)對(duì)比分析墻體寬度為0.8、1.2、1.6 m 3個(gè)方案的巷道圍巖塑性破壞、應(yīng)力、位移情況，隨充填墻體留設(shè)寬度增大，墻體切頂能力增強(qiáng)，巷道煤幫的承壓和變形減小，但有一定的范圍，且隨著巷旁充填體寬度的增加，留巷充填體的承載能力越強(qiáng)，巷道圍巖越穩(wěn)定。當(dāng)墻體寬度為0.8 m時(shí)，煤體水平移近量超過170 mm，隔離墻水平移近量達(dá)到70 mm，留巷效果最差；當(dāng)墻體寬度為1.2、1.6 m時(shí)，留巷效果差別不大。最終選擇1.2 m作為留巷墻體留設(shè)寬度的方案。

3)通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)頂?shù)装迤骄傄平炕揪S持在250 mm±50 mm，兩幫平均總移近量維持在 200 mm±20 mm；砌墻約130 m以后，墻體基本上穩(wěn)定，1902工作面運(yùn)輸平巷沿空留巷效果總體良好?？蔀轭愃茥l件煤礦應(yīng)用沿空留巷技術(shù)提供借鑒。