膏體充填工作面沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

宋光遠(yuǎn) 冉德旺 鄭帥亮

（1.徐州中礦大貝克福爾科技股份有限公司，江蘇 徐州 221116；2.山西中礦充填科技有限公司，山西 長治 046699；3.山西高河能源有限公司，山西 長治 046100）

高河能源為解決“三下”壓煤和矸石外排問題，于2020 年成功投產(chǎn)了E1302 膏體充填工作面。高河能源開采3 號煤層平均厚度為6.38 m，為厚煤層。為保證充填開采的安全、有效，E1302 膏體充填工作面采用分層開采，先開采上分層，為方便下分層工作面的充填開采，采用沿空留巷無煤柱護(hù)巷。為了探明膏體充填工作面沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并為后續(xù)膏體充填工作面的開采提供指導(dǎo)，對E1302膏體充填工作面的覆巖運(yùn)動規(guī)律和沿空留巷圍巖變形進(jìn)行了觀測分析。

1 工作面概況

E1302 膏體充填工作面為東一盤區(qū)工作面，東邊距礦井邊界185 m，為未采區(qū)，西邊為E1303 工作面采空區(qū)，南邊為E1302 放頂煤工作面采空區(qū)，北邊為+450 m 水平東翼大巷。工作面走向長度為390 m，傾向長度為230 m，底板標(biāo)高+466.558～+499.138 m，埋藏深度為404.662～425.220 m。3 號煤層距9 號煤層平均距離59.9 m，煤層厚度較穩(wěn)定（局部出現(xiàn)煤層厚度增加、傾角變大現(xiàn)象），煤厚6.2～7.5 m，平均厚度6.38 m，煤體普氏硬度系數(shù)f=0.7，該工作面內(nèi)煤層傾角3°～15°，工作面平均角度8°。3號煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖；底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖砂巖，詳見表1。

表1 3 號煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

E1302 膏體充填工作面，采用矸石膏體進(jìn)行充填，工作面和兩端頭用充填支架進(jìn)行隔離，工作面兩道順槽均做沿空留巷處理，巷道內(nèi)支護(hù)方式為巷道掘進(jìn)期間的錨桿錨索支護(hù)。

2 膏體充填工作面覆巖運(yùn)動分析

膏體充填開采與普通綜采相比最大的不同點(diǎn)就是兩種開采方法對采空區(qū)頂板控制方式的不同[1-2]。兩種開采方法的覆巖運(yùn)動情況如圖1 和圖2。

如圖1 所示，普通綜采垮落法開采時，隨著工作面的不斷回采，直接頂直接垮落，而基本頂會先形成一種懸臂梁的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其懸露的長度達(dá)到一定值后，其自身的強(qiáng)度不能支撐其自重以及上覆巖層傳遞的力，進(jìn)而發(fā)生周期性斷裂。因為周期來壓的影響，采空區(qū)上方會形成明顯的垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶三帶特征，進(jìn)而影響地表，使地表發(fā)生明顯的彎曲下沉。同時，周期來壓發(fā)生時，礦山壓力突然增大，加大巷道變形的程度，對沿空留巷影響較大[3-4]。

圖1 普通綜采垮落法采空區(qū)覆巖運(yùn)動情況

如圖2 所示，膏體充填開采時由于采用質(zhì)地緊密的矸石膏體對采空區(qū)進(jìn)行充填，相當(dāng)于使用矸石膏體替代煤層支撐上覆巖層，使直接頂沒有了垮落空間，進(jìn)而直接頂及其上覆巖層不會再進(jìn)行垮落，與普通綜采垮落法相比，不會形成明顯的三帶特征，可以使地表得到有效的保護(hù)。同時，由于矸石膏體有效支撐了采空區(qū)頂板，采煤工作面不會產(chǎn)生明顯的周期來壓現(xiàn)象，礦山壓力顯現(xiàn)不劇烈，改變了傳統(tǒng)綜采垮落法的“煤-巖”受力結(jié)構(gòu)，減少了巷道變形程度，使沿空留巷得到了有效的保護(hù)。

圖2 膏體充填開采采空區(qū)覆巖運(yùn)動情況

3 礦壓監(jiān)測分析

3.1 礦壓監(jiān)測方案

為了研究膏體充填工作面沿空留巷的巷道圍巖變形規(guī)律，在E1302 膏體充填工作面進(jìn)風(fēng)順槽沿空留巷依次布置5 個測站，測站與工作面距離分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m。隨著工作面的不斷推進(jìn)，持續(xù)對測站進(jìn)行了20 次觀測。主要觀測內(nèi)容為各個測站的頂?shù)装逡七M(jìn)量和兩幫移進(jìn)量，在每個測站的頂、底板和兩幫的中部各布置1 個測點(diǎn)。采用“十字測量法”，用測桿或鋼尺進(jìn)行量測，分別測量OA、OB、OC、OD 的距離，求得頂?shù)装逑鄬σ平?、兩幫的相對移近量[5]。

3.2 礦壓監(jiān)測結(jié)果處理分析

選取1#測站的數(shù)據(jù)對其頂?shù)装逡七M(jìn)量和兩幫移進(jìn)量以及移進(jìn)速度進(jìn)行處理分析，得到E1302 膏體充填工作面進(jìn)風(fēng)順槽沿空留巷圍巖變形量和變形速度結(jié)果如圖3 和圖4。

圖3 沿空留巷圍巖變形圖

圖4 沿空留巷圍巖變形速度圖

由圖3 和圖4 可以看出，膏體充填工作面沿空留巷的變形可以按照四個階段進(jìn)行劃分，即第一階段（緩慢變形階段）、第二階段（急劇變形階段）、第三階段（衰減變形階段）、第四階段（穩(wěn)定變形階段）。

在緩慢變形階段，由于此時距離工作面比較近，在22 m 范圍內(nèi)，此時采空區(qū)的上覆巖層由工作面煤壁、充填液壓支架以及剛剛初凝后的膏體共同承載，除此之外基本頂仍然可以維持自重和上覆巖層的重量不會發(fā)生斷裂。以上因素共同阻止了上覆巖層的離層垮落，所以此階段沿空留巷只有微小變形。

在急劇變形階段，隨著工作面繼續(xù)往前推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層全部由充填體支撐。由于推進(jìn)距離的增加，工作面會有輕微的周期來壓現(xiàn)象。隨著基本頂出現(xiàn)斷裂，礦山壓力顯現(xiàn)，充填體被壓縮，沿空留巷出現(xiàn)明顯變形現(xiàn)象，巷道頂板下沉，底板底鼓，兩幫內(nèi)擠劇烈，頂?shù)装逡七M(jìn)速度和兩幫移進(jìn)速度最大值均達(dá)到了3 mm/d。

在衰減變形階段，周期來壓結(jié)束，上覆巖層活動重新趨于穩(wěn)定狀態(tài)，與此同時矸石膏體逐漸凝固，具有了一定的單軸抗壓強(qiáng)度，對上覆巖層的承載力有了進(jìn)一步的增強(qiáng)，因此沿空留巷變形速度出現(xiàn)逐步下降。

在穩(wěn)定變形階段，矸石膏體已經(jīng)徹底凝固達(dá)到設(shè)計的抗壓強(qiáng)度，此時距離工作面已經(jīng)超過50 m的范圍，充填體上覆巖層不再出現(xiàn)劇烈運(yùn)動，此時充填體和上覆巖層構(gòu)成了一個穩(wěn)定的整體，因此沿空留巷的變形速度趨于平穩(wěn)并保持在較低的數(shù)值，頂?shù)装搴蛢蓭鸵七M(jìn)速度最大值均不超過1 mm/d。

3.3 充填體應(yīng)力數(shù)值模擬分析

為了揭示充填體內(nèi)的應(yīng)力分布對沿空留巷圍巖變形的影響，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對距切眼300 m 處工作面的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析研究，從而分析該階段工作面應(yīng)力分布。此時工作面的東側(cè)、西側(cè)和北側(cè)（工作面前方）三側(cè)均為實體煤，工作面后方為充填體，如圖5。

圖5 工作面俯視應(yīng)力云圖

從圖5 可以看出，充填體內(nèi)部的應(yīng)力分布隨著工作面的推進(jìn)可以明顯地分為三個階段：初始應(yīng)力階段、應(yīng)力升高階段和應(yīng)力平穩(wěn)階段。在初始應(yīng)力階段，由于采空區(qū)上覆巖層由充填體、充填支架和基本頂共同作用，充填體受力較小。在應(yīng)力升高區(qū)，由于工作面前移，上覆巖層發(fā)生運(yùn)動，充填體獨(dú)自支撐所有巖重，充填體逐漸被壓實，應(yīng)力隨之升高。在應(yīng)力平穩(wěn)區(qū)，充填體被徹底壓實，可以長期保證上覆巖層穩(wěn)定，應(yīng)力處于平穩(wěn)階段。充填體應(yīng)力變化和沿空留巷圍巖變形基本一致，因此膏體充填對沿空留巷有著積極的作用。

4 結(jié)論

（1）膏體充填和普通綜采垮落法相比，由于矸石膏體代替煤炭支撐了上覆巖層，不會出現(xiàn)明顯周期來壓顯現(xiàn)，對沿空留巷的實施提供了有力的支持。

（2）膏體充填工作面沿空留巷圍巖變形大致分為四個階段即緩慢變形階段、急劇變形階段、衰減變形階段和穩(wěn)定變形階段。在巷道急劇變形階段即距離工作面25～35 m 的范圍內(nèi)要加強(qiáng)支護(hù)。

（3）膏體充填工作面沿空留巷，頂?shù)装逡七M(jìn)量和移進(jìn)速度整體大于兩幫移進(jìn)量和移進(jìn)速度，巷道圍巖變形量較小，充填體對沿空留巷起到了積極的保護(hù)作用。