沿空留巷充填墙体参数研究

张士钰

(山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿，山西 古交 030206)

1 概 况

屯兰矿是山西焦煤集团有限责任公司所属的一座特大型国有重点煤矿，属高瓦斯矿井。2009年，瓦斯等级鉴定结果：矿井绝对瓦斯涌出量为196.4m3/min，相对瓦斯涌出量为23.1m3/t。煤尘具有爆炸性，属于自燃煤层，自然发火类型为Ⅱ类。

屯兰矿综采工作面布置为传统的“一面三巷” 方式(皮带顺槽、轨道顺槽、回风顺槽)，工作面采用“U+L”通风系统。工作面巷道布置方式及通风系统，存在吨煤掘进率较高、上隅角至排瓦斯横贯段瓦斯浓度难以控制及独头尾巷的问题；而且回风顺槽与皮带(轨道)顺槽之间的护巷煤柱，导致矿井煤炭资源回收率低、容易自然发火等缺点。借鉴淮南矿业集团公司的成功经验，结合屯兰矿地质开采条件，研究应用沿空留巷“Y”型通风技术，对于消除上隅角至排瓦斯横贯区域及尾巷瓦斯超限隐患、缓解矿井采掘衔接紧张局面、有效提高煤炭资源回收率、降低掘巷成本和实现矿井安全高效可持续发展有很重要意义。

2 沿空留巷、Y型通风工作面设计

沿空留巷工作面试验工作面，确定为南二盘区下组8#煤18205工作面。工作面布置为两巷加一借用巷道布置方式，巷道分别为18205皮带顺槽(复用18203回风顺槽)、轨道顺槽和借用18207轨道顺槽(工作面回采时，18207轨道顺槽、切眼作为18205工作面回风巷)，三巷平行布置，其中皮带顺槽为机轨合一巷道。

工作面两顺槽均为矩形断面，均采用全锚支护方式支护顶板。皮带顺槽净高3.5m，净宽5m，用于进风、运煤及存放设备列车；轨道顺槽为沿空留巷巷道，净高3.5m，净宽5.5m，轨道顺槽用于进风及辅助运输。

3 充填体受力分析

3.1 初次采动受力分析

初次来压前，由于上覆岩层结构中有“梁”或“拱”式结构存在，因此整个采空区周围的岩体可以视为一个结构系统[1]。这个系统的顶部是老顶岩层，周围则是直接顶和煤柱。回采工作面就处于在这样的结构系统保护之下。其周围的应力分布，沿走向及倾斜方向分别如图1所示。回采工作面煤壁上所承受的支承压力，将随着老顶跨度的加大而增加。当老顶达到极限跨距时，断裂失稳，引起工作面顶板岩层来压。

图1 初次来压前四周围岩的支承压力分布状态

屯兰矿老顶初次来压时，在工作面后方沿倾斜方向的顶板压力，分别被采空区处垮落矸石、充填体、单体液压支柱和煤壁支撑。由此，我们可以由图2所示的力学模型，表示老顶初次来压时对工作面后方倾斜方向的影响。

图2 老顶初次来压力学模型

图2中，h1为老顶厚度；h2为直接顶厚度；L1为抬棚支护的宽度；L2为充填体宽度；L3为老顶初次来压时断裂长度；Q1为直接顶岩层自重；Q2为老顶自重及上覆岩层对老顶的载荷；q1为抬棚支护对直接顶板的均布载荷；qx为充填体对直接顶板的均布载荷；q2为上覆岩层对老顶的均布载荷。

上述模型中：

(1)

(2)

根据屯兰矿现有资料可得知：γ1=22 kN/m3；∑h2=5.78m；λ=3；γ2=25 kN/m3；∑h1=8.06m；L1=4.6m；L2=2.5m；L3=15m；q1=67.5 kN/m2；

所以，Q1=826.54 kN；Q2=9067.5 kN

根据老顶初次来压时的力学模型，分别对老顶和直接顶进行受力分析。

首先，对老顶的力学分析，如图3所示。

图3 老顶受力分析图

由图3 Y方向力的平衡可知：

(3)

由O点的力矩平衡可得：

(4)

由式(3)、式(4)联立可得：

F矸= 3279.7kN，q3= 890.43kN/m2

同理，对直接顶进行受力分析，如图4所示。

图4 直接顶受力分析图

由Y方向的受力平衡可得：

(5)

由此可得qx= 2537kN/m2。

则可以得出满足充填要求的充填体的最低强度为2.537 MPa。

3.2 二次采动影响分析

当开采下一个工作面时，充填体还受到超前支承压力的影响。超前支承压力的影响范围，主要考虑工作面前方30m范围内的充填体，如图5所示。在此范围内的充填体处于煤壁前方，顶板并没有断裂，故充填体要支撑整个上覆岩层。根据经验，充填体受到顶板的压力按原岩应力的2倍计算[2]。

图5 二次采动影响区

故充填体需要的强度的下限为

(6)

此处λ取2，∑h=410m，γ=22kN/m3代入式(6)得，q=18.04MPa。

3.3 充填墙体及充填料的技术要求

(1)根据工作面具体条件，在采场顶板活动与矿山压力显现规律研究的基础上，分析了沿空留巷充填体在首次采动和二次采动影响下的受力状态，得出了沿空留巷充填体的合理参数：长×宽×高=2.4m×2.5m×3.5m=21m3。首次采动时，充填体的最低强度为2.54MPa；二次采动时，充填体的强度不低于18.04MPa。

(2)根据8#煤矿压显现规律得出充填体强度要求：4h的充填强度大于2MPa，1d的强度为7.3MPa，3d的强度为18.1MPa，7d的强度为21.6MPa，28d的强度为31.6MPa。

(3)下一工作面开采时，上一工作面采空区充填体的强度不应低于18.04MPa。

(4)沿空留巷充填材料选用膏体混凝土，其主要成份是：硅酸盐水泥、碎石、砂子、粉煤灰、添加剂及水拌和的膏体混凝土,充填龄期指标要求(见表1)

(5)为使沿空留巷充填墙体能够达到质量要求，确保每个充填墙体与顶底板充分接触，充填支架及模板要保持静止不动。另外，由于充填材料的凝固需要4h的时间，所以要保证不少于4h的凝固时间，确保承压能力达到2MPa以上，再移动、调整充填支架及模板[3]。

表1 留巷巷旁充填龄期指标

4 矿压观测方案[4，5]

(1)工作面

根据矿压观测技术要求，在工作面安装了KJ-345型支架自动在线监控系统。工作面布置三条观测线：一条布置在工作面中部，其余两条分别布置在离两条顺槽20m处。每条观测线由三个相邻的液压支架上的尤洛卡支架工作阻力自动检测仪表组成。

(2)沿空留巷充填体

沿空留巷充填体自开切眼10m开始布置，间隔为10m的观测点5个，随后布置间隔为50m的观测点5个，累积总观测距离为300m。在每个观测点处充填体内布置2个液压枕，布置高度为1.75m，两液压枕距充填体两边缘为1m。

(3)煤体

CY-150型钻孔应力计、MC-300型锚杆(索)测力计，在每个观测点处的煤体内布置4个液压枕，布置高度1.75m，间距为4m，累计需要液压枕60个。

(4)沿空留巷效果观测

为观测工作面开采过程中，初次来压及周期来压对巷道变形及巷道顶板离层的影响，沿空留巷顶板内安设了KZL-300顶板离层自动监控系统。沿空留巷效果观测，包括巷道变形观测和巷道顶板离层观测。

巷道变形观测。采用十字观测法进行观测，自开切眼12m开始每隔10m布置一个巷道变形观测点，布置5个间距为10m的观测点；随后，每隔50m布置一个，布置5个观测点，累计布置10个观测点，总观测距离为302m。

巷道顶板离层观测。安装KZL-300顶板离层自动监控系统和锚杆测力计两种仪器。顶板离层仪安装于顶板中央，测点自开切眼10m开始，其余布置与巷道变形观测相同。离层仪安设长度350m，前5个间距20m，后5个间距50m，共计10个，进行24h监测；锚杆测力计安设300m，前5个间距10m，后5个间距50m，共计10个。

5 观测结果分析

工作面开始回采累计观测了127m，工作面初次来压和周期来压已经显现，数据分析结果：8#煤直接顶初次跨落步距为10～12 m、老顶垮落步距为34 m，其特点是先从工作面中间开始垮落，然后向两边扩散；工作面压力分布出现在工作面中间和两端头；两顺槽超前压力分布在距煤壁往外20 m范围内。

通过观测数据，可以得出充填体钻孔应力计(ZK)、锚杆测力计(MG)受力变化曲线图和煤帮受力变化曲线图(图6～9)。由图6可知，充填体受力一般在2～4MPa之间，这与充填体受力分析的结果较为吻合，在首次采动的作用下充填受力较小。由图7可知，充填体中测力锚杆的受力一般在20～40MPa之间，这与一般巷道煤体锚杆的作用力相当，表明在首次采动的作用下，沿空留巷的矿压显现比较平稳。由图8可知，沿空留巷煤帮(左帮)受力一般在3～4.5MPa之间，这与充填体的受力基本一致，表明在首次采动的作用下，沿空留巷的煤帮受力同样较小。由图9可得出留巷变形观测结论：由留巷顶板离层观测历史曲线可见，沿空留巷的顶板离层通常为27mm左右，最大值为41mm。表明在首次采动的作用下沿空留巷的巷道顶板较为稳定，矿压显现比较平稳。

图6 充填体钻孔受力变化曲线

图7 充填体锚杆受力变化曲线

图8 煤帮受力变化曲线

图9 沿空留巷顶底板位移变化

6 结 论

沿空留巷快速充填技术已经在屯兰18205工作面成功实施，目前工作面已推进350m，基本达到了预期效果：瓦斯控制在规程规定范围内，沿空留巷墙体能有效地控制顶板，平均日产量达到了400t，取得了良好的技术经济效果,为高瓦斯矿井瓦斯治理开辟了新的思路。

[1] 何满潮. 中国煤矿软岩巷道支护理论与实践[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1996.

[2] Bauer E.R., Pappas, D.M, Dolinar D.R etc., Skin Failure of the Roof and Rib in Underground Coal Mines [C]. In: Peng S. S. and Mark C., eds. Proceedings of the 18th International Conference on Ground Control in Mining. Morgantown, WV, West Virginia University, 1999, 108-115.

[3] 刘沐宇,徐长佑. 硬石膏的流变特性及其长期强度的确定[J]. 中国矿业,2000,9(2):53-55.

[4] 谢广祥,杨 科,常聚才. 综放回采巷道围岩力学特征实测研究[J]. 中国矿业大学学报,2006,35(1):94-98.

[5] 张东升,马立强. 综放沿空留巷围岩变形影响因素的分析[J]. 中国矿业大学学报,2006,35(1):1-6.