大寧煤礦階段式高水材料充填沿空留巷技術應用研究

韓俊效，馬晉民，石晉松，陳 勇

(1.山西華潤大寧能源有限公司，山西 陽城 048114；2.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

大寧煤礦為煤與瓦斯突出礦井，現(xiàn)綜采工作面采用五進二回的“偏Y型”通風方式。工作面回采前，采用順層鉆孔對回采區(qū)域進行瓦斯預抽；正常生產期間，利用高位頂板穿層孔、密閉埋管抽采方式對采空區(qū)瓦斯進行抽采。經采空區(qū)預埋管路抽放和頂板高位孔抽放后，第二聯(lián)絡回風巷瓦斯?jié)舛饶芸刂圃?%以下。但根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：“采掘工作面的進風和回風不得經過采空區(qū)或冒頂區(qū)”，以及上級執(zhí)法部門認為“綜采工作面存在采空區(qū)通風問題”，不符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定。根據(jù)綜采工作面U型通風試驗情況，在現(xiàn)有抽放能力條件下(抽采效率70%左右)，采區(qū)瓦斯泵站抽采能力和順槽管路直徑不能滿足U型通風要求，工作面上隅角瓦斯波動較大，甚至超限，需對現(xiàn)有井上下抽采系統(tǒng)抽采能力進行提升改造。為保證工作面后方采空區(qū)不透風和瓦斯排放的可靠性，在井上下抽采系統(tǒng)抽采能力提升改造完成之前，采用沿空留巷技術避免采空區(qū)通風問題的出現(xiàn)。

國內外學者及工程技術人員在沿空留巷充填體寬度留設方面進行了深入的理論研究和工程實踐[1]，并取得了豐富的研究成果。張東升等[2]人通過數(shù)值模擬和相似模擬的方法分析了不同充填體寬度時頂板的運動狀態(tài)，確定了巷旁充填體的寬度。張鎮(zhèn)等[3]通過深部沿空留巷數(shù)值模擬研究，認為充填體的寬高比應大于1∶1。還有眾多學者通過建立不同的沿空留巷力學模型[4-9]，得出了不同地質條件下的巷旁支護阻力，進而確定了巷旁充填體的寬度。但以上研究主要集中在充填體寬度，針對階段式沿空留巷巷旁充填體階段長度開展的理論與技術研究則很少。充填體階段長度是優(yōu)化大采高條件下留巷圍巖應力和變形的有效途徑之一，但目前缺少大采高階段沿空留巷的深入研究。

因此，針對大寧煤礦突出煤層大采高工作面多巷布置及上隅角瓦斯超限等問題，以大寧礦304工作面運輸巷沿空留巷為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗相結合的方法，研究巷旁充填體的合理階段長度和寬度，對大采高階段式沿空留巷充填體參數(shù)設置具有一定指導意義。

1 工程概況

304綜采工作面傾向長度244.5m，工作面回采巷道沿3#煤層底板掘進。該范圍3#煤層賦存穩(wěn)定，煤層中含夾矸厚度變化較大，夾矸厚度一般為0.05～0.3m，煤層傾角一般為2°～8°，平均4°，煤層厚度3～6.96m，煤層平均厚度4.94m，平均埋深360m。直接頂為粉砂巖，厚度為9.2m左右；基本頂為含炭泥巖，厚度8m以上，直接底為1.5m左右的砂質泥巖。

304工作面原始瓦斯含量為10.71～20.2m3/t，煤層殘存瓦斯含量為2.59m3/t。工作面回采前，采用順層鉆孔對回采區(qū)域進行預抽；生產期間，利用頂板穿層孔、密閉埋管抽采方式對采空區(qū)瓦斯進行抽采。順層鉆孔預抽后，殘余瓦斯含量為4.14～6.43m3/t，區(qū)域平均殘余瓦斯含量為5.39m3/t，可解析瓦斯含量為2.8m3/t。

結合相鄰工作面采空區(qū)瓦斯抽采經驗，預計本工作面回采過程中采用“高位頂板穿層孔+密閉埋管抽放方式”可抽采瓦斯35～40m3/min。

2 階段式沿空留巷圍巖穩(wěn)定機理研究

2.1 階段式沿空留巷巷旁支護作用機理

考慮到大寧煤礦階段式沿空留巷巷道不同于傳統(tǒng)沿空留巷，其功能僅需滿足本工作面通風要求，不為相鄰工作面服務，現(xiàn)場實施時，分段充填隔離采空區(qū)、充填至60m時整體密閉。根據(jù)沿空留巷側向頂板運動規(guī)律，沿空留巷圍巖活動經歷2個階段，即：采動影響階段、留巷穩(wěn)定階段。根據(jù)其受力特點和變形特征，巷旁支護體的作用機理[10-15]為：

1)在采動影響階段，工作面后方基本頂首先在實煤體側上方發(fā)生破斷，巷旁高水材料充填體快速凝結并及時支護頂板，分擔煤柱載荷、保護巷道原有支護不被破壞，確保了頂板完整性；隨著工作面推進，基本頂回轉和下沉，充填體承受的載荷迅速增大，可沿其外側切斷基本頂，將部分頂板載荷轉移至采空區(qū)冒落矸石上，由煤柱、充填體和冒落矸石共同承載巷道上方的頂板巖層；當頂板運動劇烈時，通過充填體良好的變形讓壓性能，繼續(xù)將頂板載荷向采空區(qū)轉移。

2)在留巷穩(wěn)定階段，采空區(qū)上部頂板運動趨于穩(wěn)定，采空區(qū)應力分布和沿空留巷圍巖變形速度趨于穩(wěn)定，關鍵塊體之間形成穩(wěn)定的砌體梁結構，巷道圍巖處于較低的應力狀態(tài)，基本頂下方的實煤體支撐能力不變，巷旁支護體基本處于恒阻工作狀態(tài)。

2.2 階段式沿空留巷巷旁支護阻力確定

根據(jù)上述巷旁支護體的作用機理，建立巷旁支護體與頂板相互作用的力學模型如圖1所示。

圖1 沿空留巷基本頂力學模型

根據(jù)陳勇[5]力學模型，用平衡法對AB、BC兩巖塊分別建立力學方程。得出：

Pq=[ML+(NC+qcosα·e)(x0+c+d)+

式中，α為煤層傾角，(°)；c為巷道寬度，m；d為巷旁充填支護體寬度，m；h為基本頂巖層厚度；Pq為巷旁支護體的切頂阻力，kN；ML為基本頂巖層的極限彎矩，kN·m；M0為A端基本頂?shù)臍堄鄰澗?，kN·m；q為基本頂及其上部軟弱巖層單位長度的自重，kN；q0為直接頂單位長度自重，kN；ΔSB為基本頂垮落前B端的下沉量，其計算式為：

式中，e為BC巖塊的長度，m。其計算式為：

式中，Lm為工作面長度，m；b為基本頂來壓步距，m。

根據(jù)工作面生產地質條件，相關地質力學參數(shù)取值如下：煤層采高4.94m(留巷端頭部分煤不回收)，巷道高度為3.5m，工作面長度245.5m，周期來壓步距15m，工作面最大埋深400m，基本頂分層厚度為3m，直接頂平均厚度9.2m，上覆巖層容重為25kN/m3，應力集中系數(shù)為2.0，基本頂巖層抗拉強度取值為8MPa，側壓系數(shù)為0.4，煤層粘聚力為3MPa，內摩擦角30°，煤幫采用錨桿支護阻力按0.15MPa考慮，煤層傾角3°，留巷后巷道寬度在2.5m左右。

經計算，充填體平均需求強度按8MPa考慮，考慮一定安全系數(shù)(取值1.2)，則初步確定在巷內充填時所需的充填體強度達到9MPa左右。

2.3 巷旁充填材料的選定

關于沿空留巷巷旁充填體的充填材料，中國礦業(yè)大學和英國的學者都發(fā)明了多種高強度且膠凝凝結速度快的高水材料，研制出的高水材料的體積含水率可以高達90%，5～30min便可實現(xiàn)初凝，且高水材料的最終強度可以實現(xiàn)10MPa以上。中國礦業(yè)大學學者針對現(xiàn)場的需求不同，研制了了相應規(guī)格的高水材料，充填材料選用的水灰比一般在1.0～5.0。

高水材料強度與水灰比變化關系如圖2所示。由圖2可以看出，強度隨著水灰比的減小而增大，每單位內使用的高水充填材料越多，用水量就越小，從而充填體的強度就越高。常見的水泥混凝土水灰比范圍為0.5∶1～0.75∶1，當高水充填材料采用此水灰比時，充填體的強度可以達到20～50MPa，完全可以滿足井下沿空留巷充填體的強度要求。

圖2 高水材料單軸抗壓強度與水灰比關系

3 階段式沿空留巷巷旁充填體參數(shù)優(yōu)化分析

3.1 數(shù)值模型

根據(jù)大寧煤礦綜采工作面布置及頂板力學參數(shù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值計算模型。如圖3所示。在工作面后方60m內設置不同監(jiān)測點，通過分步開挖，監(jiān)控不同充填體寬度條件下留巷圍巖應力和巷道頂板變形情況。

圖3 三維數(shù)值模擬模型

3.2 不同充填體寬度條件下圍巖應力和變形

3.2.1 充填體寬度對圍巖應力和變形的影響

將高水材料水灰比固定為1.5∶1，分析巷旁充填體寬度對沿空留巷圍巖應力分布和圍巖變形規(guī)律。不同巷旁支護體寬度時沿空留巷圍巖應力分布和空留巷圍巖變形量如圖4、圖5所示。

由圖4可知，隨著基本頂?shù)钠茢?、回轉，頂板向采空區(qū)方向傾斜。巷旁支護體承載能力隨其寬度的增加而增強，頂板的下沉量隨巷旁支護體寬度的增加而減小。

圖4 不同巷旁支護體寬度時沿空留巷圍巖應力分布

圖5 不同巷旁支護體寬度時沿空留巷圍巖變形量

從圖5可知，沿空留巷圍巖變形量隨著巷旁充填支護體寬體增加而減小，當寬度增加至1.2m以上時，圍巖變形量減小幅度開始緩慢。

3.2.2 充填體寬度對充填區(qū)域應力的影響

將高水材料水灰比固定為1.5∶1，分析巷旁充填體寬度對巷旁充填區(qū)域垂直應力分布規(guī)律。巷旁充填體寬度對充填區(qū)垂直應力的影響如圖6所示。

圖6 巷旁充填體寬度對充填區(qū)垂直應力的影響

由圖6可知，充填區(qū)直接頂垂直應力基本呈“倒U型”分布，充填區(qū)域垂直應力隨著充填支護體寬度的增加也相應增大。當充填體寬度小于1.2m時，垂直應力呈三角形分布，最大垂直應力為8.1MPa；充填體體寬度為1.2至1.8m時，垂直應力分布大致呈梯形分布，最大垂直應力為11.1MPa。且充填支護體寬度大于1.5m后，充填區(qū)域垂直應力增幅開始變緩。

3.2.3 充填體寬度對充填體變形的影響

ICU即重癥監(jiān)護室，重癥監(jiān)護室中采用大量的人力物力治療危重癥患者。由于在重癥監(jiān)護室中的患者多為危重癥患者，所以患者大多是神志不清，甚至處于昏迷狀態(tài)，因此患者的反應處于應激狀態(tài)，這種狀態(tài)下，患者的很多生命活動比如心跳、呼吸、血糖調節(jié)、體液調節(jié)等等都處于被動的狀態(tài)，所以即使患者的胰島素水平沒有問題，也容易導致血糖出現(xiàn)大幅度波動，出現(xiàn)低血糖后者是高血糖的癥狀，容易導致死亡。因此，測評出ICU中的重癥患者血糖的安全閾值，并將患者的血糖維持在安全水平就顯得尤為重要。目前采用血糖控制護理方法進行護理對解決這一問題有極大地幫助。

將高水材料水灰比固定為1.5∶1，分析巷旁充填支護體寬度對充填體變形的影響，如圖7所示。

圖7 充填體幫變形曲線

由圖7可知，巷旁充填支護體的寬度與其變形成反比，且當充填支護體寬度大于1.2m后，充填支護體整體承載能力和穩(wěn)定性提高，變形量減幅降低。

綜合以上分析，巷旁充填支護體的寬度時影響沿空留巷圍巖應力和變形的關鍵因素之一，當充填支護體寬度大于1.2m時，圍巖變形逐漸降低、承載能力逐漸增加。但考慮到充填材料成本因素及沿空留巷服務時間短，正常推進速度(8～10m/d)下，僅一周便進行封閉，因此，將巷旁充填支護體寬度設定為1.2m。

3.3 不同充填體強度條件下圍巖應力和變形

將巷旁充填支護體寬度固定為1.2m時，分析在不同水灰比的充填體強度對沿空留巷圍巖應力和圍巖變形的影響。不同強度時沿空留巷圍巖應力分布及巷道變形情況如圖8、圖9所示。

由圖8可知，當巷旁充填支護體寬度不變時，充填支護體強度與沿空留巷圍巖應力成正比，并且強度越低，應力峰值距充填體越近，充填支護體上部垂直應力越小，圍巖變形量越大。

圖8 不同強度時沿空留巷圍巖應力分布

圖9 充填體不同強度時巷道變形示意圖

由圖9可知，當巷旁充填支護體寬度不變時，充填支護體強度與沿空留巷圍巖變形成反比，強度越低，圍巖變形量越大。

根據(jù)上述數(shù)值分析，當巷旁充填支護體寬度為1.2m時，高水材料水灰比1.5∶1，充填支護體強度為9MPa，可對采空區(qū)頂板進行有效支撐，減少沿空留巷圍巖變形。

3.4 巷旁充填支護體參數(shù)確定

數(shù)值分析表明：巷旁充填支護體的寬度和水灰比均是影響沿空留巷圍巖控制效果的重要因素。綜合考慮充填材料成本因素，當寬度為1.2m、水灰比為1.5∶1時，能使沿空留巷圍巖穩(wěn)定，滿足使用要求。

4 階段式沿空留巷工業(yè)性試驗

4.1 試驗技術參數(shù)

對原巷道頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式進行加強支護，錨桿間排距1.0×1.0m，錨索間排距2.0×1.0m，保證頂板支護完整性。

按工作面推進度8～10m/d計算，每天需要充填兩個充填體，確定每次構筑的巷旁支護體尺寸為長×寬×高=4m×1.2m×3.5m充填體。當現(xiàn)場滿足施工尺寸時，及時構筑充填體，并對留巷巷道采用單體液壓支柱進行加強支護，柱距1.0m。同時，為防止頂煤和采空區(qū)矸石涌入充填空間，實際操作中在端頭支架移架后，及時施工密集木垛進行擋矸和支撐頂板，待充填區(qū)域長度達到4m時，進行充填體施工。具體現(xiàn)場施工時留巷布置如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場施工時留巷布置示意圖(mm)

4.2 巷道變形觀測

在工作面后方試驗巷道內每隔10m布置一個測站，觀測巷道頂板、兩幫變形情況，巷道表面相對移近量和相對移近速率如圖11所示。

圖11 巷道相對移近量曲線

由圖11可以看出，①工作面后方巷道圍巖變形分2個階段，即移近量遞增區(qū)、移近速率穩(wěn)定區(qū)，工作面沿空留巷圍巖活動劇烈范圍為工作面后方60m范圍內，工作面后方0～40m的范圍頂板下沉量明顯，40～60m頂板下沉趨向穩(wěn)定；②巷道圍巖變形主要以頂板下沉為主，頂?shù)装遄畲笠平啃∮?40mm、兩幫小于70mm。

以上監(jiān)測表明：階段性留巷巷道頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護技術，留巷期間采用單體液壓支柱加強支護，巷旁充填體和密集木垛聯(lián)合支護整體性強，圍巖基本保持完整，在滿足工作面通風斷面的同時，充填體承載能力和抗變形能力基本滿足要求，能適應沿空留巷圍巖大變形。

4.3 綜采回風瓦斯監(jiān)測

綜采區(qū)域平均風排瓦斯量在15～19m3/min，回風巷瓦斯?jié)舛仍?.2%～0.6%之間；其中工作面1#瓦斯在0.3%～0.6%，平均風排瓦斯量在5～10m3/min；沿空留巷2#瓦斯在0.3%～0.8%，平均風排瓦斯量在3～4m3/min。

5 結 論

1)大采高階段式沿空留巷解決了上隅角瓦斯超限問題，同時使巷旁充填體服務周期縮短，提高了煤炭資源采出率。

2)基于304工作面生產地質條件，通過理論計算、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場工業(yè)性試驗，得出巷旁充填支護體寬度為1.2m、高水材料水灰比1.5∶1時，沿空留巷圍巖基本得到控制，沿空留巷維護效果良好且回風隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定控制在0.8%以下，滿足工作面回風要求。

3)階段式沿空留巷技術的成功開展，解決了上隅角瓦斯和回風巷瓦斯超限的問題，改善了工作面的通風系統(tǒng)，降低了回風巷的瓦斯?jié)舛?，是?yōu)化單一煤層工作面通風系統(tǒng)、適應《規(guī)程》取消尾巷的一次有益嘗試。