松软煤岩层预掘巷充填体构筑技术研究与应用

戚 洋 贾凯军 王鹏宇 肖龙正

（中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221008）

松软煤岩层预掘巷充填体构筑技术研究与应用

戚 洋 贾凯军 王鹏宇 肖龙正

（中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221008）

结合云驾岭矿12802工作面“三软”岩层的现状，根据从采空区到相邻煤体形成的稳定区、减压区和增压区的应力分布规律及关键层理论，采用ZKD型高水速凝材料构筑充填体，将充填体布置于减压区内，尽量使其承受较小的压力，以达到护巷的效果。结果表明：高水速凝材料具有早期和最终强度高、增阻速度快等优良性能；所构筑的充填体具有足够的承载能力和良好的可缩性，使充填体与顶底板岩层形成一个完整的支承结构体，并有效地减少了巷道的顶板下沉量。

采空区充填 高水速凝材料 松软煤岩层 充填体

随着煤炭资源的大规模开采，越来越多的煤矿面临着资源枯竭的危险，因此提高资源采出率成为了大多数煤矿重点关注的内容。目前，为了隔绝向相邻采空区漏风并防止采空区的积水流入新掘巷道内，绝大部分的掘巷都留设有8～15m的煤柱，采用沿空掘巷技术一般也留有3～5m的窄煤柱，这无疑都造成了煤炭资源的浪费（损失2%～3%）。因此采用无煤柱护巷具有十分重要的意义。

高水速凝材料支护有增阻速度快，支护阻力大，充填工艺简单等优良性能。因此，采用高水速凝材料构筑充填体置换窄煤柱，不但提高了煤炭资源采出率，而且改善了安全生产条件。

1 构筑充填体预掘巷围岩应力分布规律

工作面开采以后，在采空区与其相邻煤体之间的一定范围内形成稳定区、减压区和增压区，见图1。由于冒落矸石难以将采空区全部充满，老顶下沉到一定程度后会在采空区边缘发生断裂，煤层顶板弯曲并以一定角度向采空区倾斜，导致侧向支承压力向煤体内转移。在顶板弯曲下沉、支承压力转移过程中，边缘煤体被破坏，形成一定厚度的破碎区，同时，在煤体边缘一定范围（一般0～7m）内形成应力降低区。而在采空区一侧，老顶活动趋于稳定，应力基本不再发生变化。

2 高水材料充填体置换煤柱

2.1 充填体围岩控制机理

根据关键层理论，老顶关键层从破断到形成“砌体梁”平衡结构的过程中，随着关键块的回转与下沉，巷道基本顶发生沉降。与此同时，煤帮作为砌体梁的一个承载体始终承受较为集中的支撑压力，从而导致煤帮发生严重变形。

图2 预掘巷围岩结构模型

工作面回采后，采空区顶板垮落，充填支护体外侧的伪顶及直接顶在自重与充填支护体及单体支柱的支撑下，沿走向方向破断，形成“支柱—充填支护体—煤壁”的边界支护结构。从采场角度分析，由于采动空间大、围岩活动时间长，老顶岩层总的运动趋势不会因充填体支护这一技术因素有所改变，仍会在巷道以及煤壁边缘形成低应力区。随着工作面回采，老顶的初次来压及周期来压依次发生，采空区冒落矸石进一步被压实，对老顶起到很大的支撑作用，巷道顶板因受到巷旁支护体的支撑作用，其下沉量远小于采空区顶板的下沉量。而基本顶则发生旋转下沉直至稳定，形成砌体梁结构。预掘巷围岩结构模型如图2所示。

2.2 充填体力学模型

如图2所示，下区段巷道掘进之前，充填体布置在减压区内，受到上覆岩层的压力很小。在关键块的回转下，充填体左边界紧靠煤体，随着关键块的回转，左边界受到的部分压力由煤体来承担，而右边界（采空区侧）则会受到相对较大的回转压力。充填体下边界受到底板的支撑作用，垂直方向位移相对较小，可以认为下边界给定垂直位移为零，据此可建立充填体力学模型，见图3。

图3 充填体力学模型

2.3 高水速凝材料充填体置换关键技术

保持充填体稳定是控制围岩稳定的关键，因此必须提高充填体的承载能力及稳定性。充填体越宽护巷效果越好，但成本也会相应增加，所以应该选择合理的充填体宽度。充填体宽度d主要由切顶阻力、充填体强度确定，见式（1）。

式中：k1——充填体强度降低系数，取0.85；

σ——充填体的强度，MPa；

Pq——切顶阻力，MPa。

3 工程实例

3.1 工程地质及运输平巷支护情况

云驾岭矿12802工作面位于井田二水平八采区，设计走向长度平均为1550m，倾斜长度平均为180m。主采2＃煤层，煤层赋存较稳定，煤层平均厚度3.2m，煤岩层倾角平均为25°。

2＃煤层有一层厚度为0.5～1m的伪顶，泥质粉砂岩，遇水易软化，揭露后易跨落；直接顶为粉砂岩，厚3.3m，裂隙发育；老顶为细粒砂岩，平均厚8.3m；直接底为粉砂岩，厚5.2m；老底为细粒砂岩，厚4.1m。

12802工作面运输平巷沿煤层顶板布置，采用梯形断面，断面宽3.8m，中高2.8m。顶板支护采用“锚网＋小孔径预应力锚索补强”的联合支护形式。顶锚杆长2.4m，间排距为0.8m×0.9m；顶锚索采用“鸟窝”锚索，锚索长7m，直径17.8mm，间排距为1.8m×1.2m。帮锚杆长2.4 m，为满足均匀压缩带即“挡固层”有一定厚度的要求，锚杆间排距取为0.9m×0.9m；帮锚索采用“鸟窝”锚索，锚索长4.3m，直径17.8mm。运输平巷支护断面如图4所示。

图4 12802面运输平巷支护断面图

3.2 巷旁充填材料

充填支护体应具有早期强度高、增阻速度快的力学特性。支护体紧随工作面构筑，及时对伪顶及直接顶进行支护，确保巷道内顶板不破碎，同时避免其与上部基本顶离层，并切断采空区侧的伪顶及直接顶，以减小充填体所承受的载荷。

表1 ZKD高水速凝材料净浆单轴抗压强度

由中国矿业大学研制的ZKD型新型高水速凝充填材料固结体抗压强度比原高水材料平均提高40%～50%，凝固速度快，承载和变形性能好，可根据工程需要对材料强度和凝固时间进行调控。该材料由甲料、乙料两种组分构成，二者以重量比1∶1配合使用。其中甲料以硫铝酸盐水泥熟料为基材，与悬浮剂及少量超缓凝剂混磨而成，乙料由石灰、石膏、悬浮剂和复合速凝早强剂等混磨而成。针对12802工作面运输平巷具体情况，选用袋装净浆材料进行充填。ZKD型高水速凝材料单轴抗压强度见表1。

3.3 巷旁充填体位置

综合考虑12802综采面运输平巷顶底板及围岩松软情况，将充填体置于巷道内，紧贴下帮，即充填体与下帮之间不留空间，使其发挥小煤柱的作用，以节约资源，达到充分开采的效果。

3.4 充填体参数

充填体取梯形断面，上底长3m，下底长2m，沿倾斜方向宽2m。充填体由充填袋及注入袋中的高水速凝材料组成。充填袋由优质风筒布制作而成，同时在充填体中置入4个锚栓，使其由二向受力状态变成三向受力状态，支护强度得到明显提高。充填体采用锚栓托盘配合金属钢带或梯子梁进行侧向支护，必要时可挂金属网，以提高充填体的强度和整体稳定性。充填体中锚栓的布置如图5所示。

3.5 充填设备选型

由于12802综采面运输平巷铺设有带式输送机等大型设备，故将充填泵站布置在距最远充填点约2300m左右的上部车场附近。因此，充填体的构筑选用长距离水力泵送充填工艺。因运输平巷高度较大，构筑单位长度的充填体需要的充填材料较多，经计算选用输送流量近200L／min的充填泵可满足要求。充填泵选为2ZBYSB－200－50／5－15－37煤矿用双液变量注浆泵。其最大流量200L／min，压力5～15MPa，输入功率37kW。

图5 充填体间锚栓的位置示意图

充填管路分别由KJR25高压胶管和ø32mm（1.25英寸）无缝钢管组成。输料管路有两趟，均从泵站到充填点，分别输送甲、乙料。为使充填方便可靠，充填泵与钢管之间以及充填钢管与混合器间均用高压胶管过渡连接，混浆管采用高压胶管。胶管与钢管间用快速接头相配合。

3.6 充填区域顶板管理

原巷道顶板有厚为0.5～1m的伪顶，围岩较破碎，给锚杆加固和掘巷带来极大困难，因此选用鸟窝锚索及钢带进行加强支护。在充填体外侧需架设长约10～12m的两道走向梁，走向梁与充填体之间留有700mm的行人空间。采用金属铰接顶梁加单体液压支柱对顶板进行支护，采空区侧最好挂设挡矸帘。

4 矿压观测

构筑充填体期间，沿12802工作面走向方向，共布置5个观测点，观测点间距为100m，每天对各测点观测一次。对各测点的观测结果做加权平均处理后，可得到顶板下沉量的变化情况，见图6。

图6 上下帮侧顶板下沉量与工作面距离关系

由图6可见，在工作面后方20m以外，顶板下沉速度明显加快，靠近采空区侧的顶板下沉速度大于靠近煤帮侧的；离工作面80m左右，顶板活动趋于稳定，顶板的平均下沉量为115mm。另外，通过观测得知，充填体承受的最大载荷为4.2 MPa。由于充填体具有可伸缩性，且能承受10 MPa压力，故整体较为完整。

5 效益分析

该技术提高了煤炭资源回收率，延长了矿井的服务年限，缓解了煤炭生产中普遍存在的采掘接替紧张问题。采用充填体置换窄煤柱，其强度大，改善了巷道支护效果。

巷道长度按1550m计算。若采用充填体置换窄煤柱预掘巷技术，充填高水材料耗费2506元／m，充填袋折合300元／m，人工费折合280元／m，其它费用折合210元／m，新掘进巷道综合成本约为3200元／m，则总成本为1006.88万元。若采用沿空掘巷技术，保护煤柱留设按5m宽计算，煤的容重为1.8t／m3，则煤炭损失为44640t，平均效益630元／t，经济损失为2812.32万元；新掘巷道综合成本约为4500元／m，成本为697.5万元，则总成本为3509.82万元。由此可得采用充填体置换窄煤柱预掘巷技术可获得经济效益2502.94万元。

因此，采用充填体置换窄煤柱预掘巷技术给云驾岭矿带来了较大的社会效益与经济效益。

6 结语

ZKD型新型高水速凝材料具有增阻速度快、早期强度高等力学特性，能及时支护顶板，有效地控制围岩变形，完全适用于构筑充填体预掘巷技术。其技术作为绿色开采的一部分，是一项能促进矿井安全生产并提高矿井开采水平的先进的科技工艺，能给煤矿带来较大的社会效益与经济效益。

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Research and application of technique of constructing filling body in pre－driven roadway in soft coal seam

Qi Yang，Jia Kaijun，Wang Pengyu，Xiao Longzheng
（School of Mining Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

Aiming at the characteristic of soft coal seam with soft roof and soft floor in No.12802workface in Yunjialing Coal Mine，and according to the laws of stress distribution of stable zone，decompressing zone and pressurizing zone from the gob to its adjacent coal body and the key strata theory，this paper uses ZKD high－water rapid hardening material to construct filling body，which is arranged in decompressing area to make it bear less pressure as far as possible to achieve the best result of supporting the roadway.The results show：high－water rapid hardening material possesses the advantages of high strength and quick increasing resistance；the filling body has enough bearing capacity and good retractility to make the filling body and rocks of the roof and the floor form a complete supporting structure，and effectively decrease the subsidence of the roadway roof.

gob filling，high－water rapid hardening material，soft coal rock，filling body

TD353.7

B

戚洋（1987－），男，汉族，山东淄博人，中国矿业大学采矿工程研究生，主要从事充填开采及沿空留巷等采矿工程方面的研究工作。

（责任编辑 张毅玲）