大采深工作面超高水材料充填開采圍巖變形規(guī)律研究

畢玉明

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

0 引 言

超高水材料充填技術(shù)是針對有效解決工作面回采后頂?shù)装寮皟蓭涂逅蜃冃蔚囊豁椥录夹g(shù)[1-5]，主要原理是采用超高水材料，按一定配比混合成2 種以水為主要載體的漿體，利用其高流動性，在進(jìn)入采空區(qū)前進(jìn)行混合，利用充填袋，使混合漿體在一定時間內(nèi)膠結(jié)、凝固，達(dá)到設(shè)計強度，以實現(xiàn)對采空區(qū)的充填[6-7]，起到控制圍巖垮塌、變形，減少地表沉降的目的[8-10]。該技術(shù)已在山西、河北和陜西部分煤礦得到了初步推廣和應(yīng)用。本文以邯邢礦區(qū)邢東礦為例[11]，對比了超高水填充工作面和非填充工作面的圍巖變形情況，總結(jié)變形規(guī)律，檢驗超高水填充對回采工作面的圍巖控制效果。

1 工作面概況

邢東礦1126 工作面是一水平一采區(qū)第6 個生產(chǎn)工作面，開采山西組2 號煤，煤層埋深800 ～870 m，煤層厚度4.43～4.80 m。工作面位于一水平軌道巷以東，2223 回采工作面以西，南側(cè)200 m為F23 斷層，北側(cè)40 m 為DF10 斷層。工作面沿煤層傾向布置，傾向長約490 m，走向長約70 m，面積約26 467 m2，工作面可圈出煤炭儲量20.5萬t。工作面煤層頂板和底板巖性以細(xì)、粉砂巖為主。特征見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性able 1 Lithology of coal seam roof and floor

2 充填開采技術(shù)方案

井田區(qū)域內(nèi)煤層賦存深度大，煤層底板承受地壓大。在礦井一水平各工作面開采過程中，采線前方，兩巷圍巖變形劇烈、地表下沉嚴(yán)重，給礦井安全生產(chǎn)和地表環(huán)境帶來巨大影響。為減少圍巖變形，減小地表下沉，該礦對1126 工作面采用采空區(qū)混合式充填方法[12]進(jìn)行充填開采。具體施工工藝為，在采煤機推采三刀煤后，在工作面后支架下方形成2.1 m 范圍的等待充填區(qū)域，在該區(qū)域通過5個隔板支架將待充填區(qū)等分為個4 充填空間，在各充填空間內(nèi)懸掛規(guī)格為17 m×2.3 m×5.2 m的充填袋，并向袋中注入超高水充填材料，實現(xiàn)對采空區(qū)頂板的充填支護(hù)，超高水材料充填示意如圖1 所示。

圖1 超高水材料充填示意Fig. 1 Ultra high water material filling

3 圍巖變形研究

3.1 圍巖變形觀測方案

自工作面開始回采至回采結(jié)束，在工作面兩巷每隔一定距離布設(shè)礦壓觀測站，對巷道圍巖的變形情況進(jìn)行連續(xù)實時觀測，記錄頂板沉降、兩幫收斂和底鼓數(shù)據(jù)。依據(jù)兩巷實際情況，在工作面運輸巷和運料巷各布設(shè)5 個礦壓觀測站，采用DB- II 型巷道斷面收斂儀連續(xù)采集巷道兩幫與頂?shù)装逦灰屏浚▓D2）。

圖2 工作面兩巷測站布置示意Fig. 2 Layout of surveying stations in two roadways of working face

3.2 觀測數(shù)據(jù)的整理與分析

3.2.1 運料巷收斂觀測

經(jīng)過385 d 的持續(xù)觀測，運料巷兩幫收斂均值為109 mm，頂板沉降均值為67.4 mm，底臌上升均值為169 mm。變形速度兩幫0.28 mm/d，頂板0.17 mm/ d，底臌0.43 mm/ d。隨著工作面推采時間的增加，工作面運料巷道圍巖收縮位移逐漸增大，距采線越近的觀測站觀測到的巷道圍巖收縮量越大。同時，由于f26- 4 斷層的存在，距離采線較遠(yuǎn)的一觀測站和二觀測站的位移量較距采線較近的三測站要有所增大。運料巷頂?shù)装寮皟蓭臀灰谱兓厔萑鐖D3～圖4 所示。

圖3 運料巷頂?shù)装逦灰谱兓厔軫ig. 3 Displacement variation trend of roof and floor of transportation roadway

圖4 運料巷兩幫位移變化趨勢Fig. 4 Displacement variation trend of two sides of transportation roadway

3.2.2 運輸巷收斂觀測

根據(jù)對觀測數(shù)據(jù)的分析，運輸巷兩幫收斂均值為221 mm，收斂速度為0.6 mm/d；頂板沉降均值為114 mm，沉降速度為0.3 mm/d，底臌均值為135 mm，上升速度為0.36 mm/d。由于f26- 4 斷層的存在，一觀測站和二觀測站的巷道圍巖收縮量較其它觀測站略有增加。運輸巷頂?shù)装寮皟蓭臀灰谱兓厔萑鐖D5～圖6 所示。

圖5 運輸巷頂?shù)装逦灰谱兓厔軫ig. 5 Displacement trend of roof and floor of transportation roadway

圖6 運輸巷兩幫位移變化趨勢Fig. 6 Displacement variation trend of two sides of transportation roadway

3.3 與非充填工作面的變形數(shù)據(jù)對比分析

邢東礦2122 和2223 是非充填開采工作面，煤層賦存條件與1126 工作面相似。為進(jìn)一步分析、對比超高水充填開采工作面和非充填開采工作面兩巷圍巖的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在2122 和2223 工作面回采過程中，在2 個工作面運料巷分別布設(shè)了3 個觀測站對其進(jìn)行了為期95 d 和340 d 的連續(xù)定期觀測，并根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，分別繪制出2122 和2223 工作面運料巷兩幫及頂?shù)装逦灰谱兓厔輬D（圖7 ～圖10），充填開采與非充填開采頂?shù)装搴蛢蓭臀灰茖Ρ纫姳?。

表2 充填開采與非充填開采頂?shù)装搴蛢蓭臀灰茖Ρ萒able 2 Comparison of displacement of roof, floor and two sides between filling mining and non- filling mining

圖7 2122 運料巷頂?shù)装逦灰谱兓厔軫ig. 7 Displacement variation trend of roof and floor of 2122 roadway

圖10 2223 運輸巷頂?shù)装逦灰谱兓厔軫ig. 10 Displacement trend of roof and floor of 2223 transportation roadway

（1） 充填開采工作面兩巷頂?shù)装宓淖畲笪灰浦?64 mm，最小值為175 mm，平均位移243.1 mm。從趨勢圖可以看出，各觀測站的位移隨推采時間的增加而逐漸趨穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯的周期性位移增大，說明充填開采工作面的周期性來壓不明顯或者是沒有；非充填開采工作面兩巷頂?shù)装逦灰谱畲笾? 482 mm，最小值為601 mm，兩值差高達(dá)881 mm。如此，在趨勢圖中就形成了周期性陡峭折線。從觀測數(shù)據(jù)可以看出，采用超高水充填開采頂?shù)装宓淖畲蠛妥钚∥灰屏枯^非充填開采分別減少了1 118 mm 和426 mm。表明超高水充填開采對控制頂?shù)装寤顒雍椭芷谛詠韷壕哂辛己眯Ч?/p>

圖8 2122 運料巷兩幫位移變化趨勢Fig. 8 Displacement variation trend of two sides of 2122 transportation roadway

圖9 2223 運輸巷兩幫位移變化趨勢Fig. 9 Displacement variation trend of two sides of 2223 transportation roadway

（2） 充填開采工作面巷道兩幫的最大位移值404 mm，最小值為36 mm，平均位移243.1 mm。從趨勢圖可以看出各觀測站的位移隨推采時間的增加而逐漸趨穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯的周期性位移增大，這就可以說明充填開采工作面的周期性來壓不明顯或者是沒有；非充填開采工作面巷道兩幫位移最大值1 081 mm， 最小值為345.22 mm， 兩值差高達(dá)735.78 mm。如此，在趨勢圖中就形成了周期性陡峭折線。從觀測數(shù)據(jù)可以看出，采用超高水充填開采工作面巷道兩幫的最大和最小位移量較非充填開采分別減少了677 mm 和309 mm。表明超高水充填開采對控制巷道兩幫活動及工作面周期來壓具有良好效果。

4 結(jié) 語

較非充填開采工作面，在超高水材料充填開采條件下，將超高水材料及時注入工作面推采后形成的采空區(qū)，模擬煤層的原巖狀態(tài)，使采線前方煤體、充填體與煤層頂板形成類似簡支梁的承載結(jié)構(gòu)，上覆巖層因充填體的及時支撐而減少下沉，從而降低工作面兩巷圍巖變形程度，有效控制工作面周期性來壓。