厚煤层巷内预构混凝土充填带开采技术

郑 静

(新矿集团赵官能源有限责任公司， 山东 德州市 251113)

0 引 言

我国于1970年代从外国引进了无煤柱开采技术，由于其带来的巨大的经济和社会效益，在国内得到了广泛的推广应用[1]。作为无煤柱开采技术的两种不同方式，沿空留巷技术和沿空掘巷技术提高了资源利用率，减少了煤炭损失；减少了巷道维护量。

但是在无煤柱开采技术的实践中也出现了很多问题。由于我国地质条件较为复杂，支护技术及支护理论落后的原因，沿空留巷技术在应用中存在很多不足之处。尤其是支护方式不合理的问题，传统的巷旁支护存在初期支护阻力小、可缩性差等问题，导致了支护与沿空留巷围岩变形不相适应， 不利于巷道维护，引起采空区漏风与自燃发火[2]。在煤炭需求量不断增加的大背景下，煤矿开采强度不断增加，采深也是不断加大，随之出现了高地应力等新的影响因素，为此提出了小煤柱沿空掘巷技术，但是该技术又有煤柱尺寸确定的问题，煤柱留设过大造成资源的浪费，留设过小引起巷道变形，在厚煤层分层开采或近距离煤层群联合开采时又造成应力集中，因此也难以做出大面积的推广[3,4]。

基于近年来高强度锚杆支护技术的使用和充填工艺的完善，结合综放工作面巷内原位沿空留巷技术，马立强教授提出了巷内预置充填带无煤柱开采技术[5]。就是在厚煤层回采工作面前方的运输平巷内，紧靠巷帮预置一条巷内充填带。在下个工作面进行准备时，沿预置的充填带进行掘进，不再留设煤柱，实现厚煤层无煤柱开采。巷内预制填充带开采技术从本质上区别与沿空留巷技术和沿空掘巷技术，但是又同时具备两者的优点，具备巨大的推广价值。

1 无煤柱方式

沿空留巷在上区段轨道巷掘进过程中，沿靠近下区段侧煤体进行充填，而充填开始的时间在回采工作完成之后进行，如图1所示。沿空留巷技术的核心是顶板的岩层控制，巷道受到两次岩层运动的影响，矿压表现最为强烈，围岩变形最大[6]。

沿空掘巷技术是在上区段回采工作完成以后，留较小煤柱沿着上区段轨道巷进行工作面准备工作，如图2所示。沿空掘巷的准备工作是在上区段的采空区压实和围岩活动稳定后进行的，掘巷的位置处于煤体塑性变形区，容易失稳，发生片帮。

厚煤层巷内预制充填带无煤柱开采技术，在上区段工作面进行准备的时候，将上区段运输轨道巷按照大断面进行掘进、支护；上区段开始回采工作以后，在工作面前方一定距离的范围内，靠近下区段煤体边缘进行巷内充填工作,如图3(a)所示；在下区段进行工作面准备时，沿混凝土充填体进行下区段回风巷的掘进工作，不再进行煤柱留设工作,如图3(c)所示。

与沿空留巷技术相比较，巷内预制充填体技术也实现了无煤柱的开采，减少区段煤柱，提高了采出率，延长了煤矿寿命；该技术中膏体充填体可以适应围岩变形，满足支护阻力要求，有效防止漏风，从而避免了采空区火灾的发生，也减少了采空区瓦斯和矸石对工作面的影响，有利于矿山的安全生产；不足之处在于多掘了一条巷道，增加了巷道掘进量。与沿空掘巷技术相比较，巷内预制充填体技术取消了沿空掘巷技术的小煤柱的留设，用矸石混凝土充填体代替，减少了区段煤柱，充分利用了采矿尾砂，同时避免了因留设煤柱引起的火灾和瓦斯问题的发生。

图1 沿空留巷

图2 沿空掘巷

图3 巷内预制充填体技术

上区段工作面回采工作完毕后，在相邻工作面沿本工作面充填带掘巷，其围岩受力情况与综采工作面留窄煤柱沿空掘巷类似。理论研究表明，在沿空掘巷的应用实践中，因为工作面的回采，煤体由弹性状态进入塑性状态，煤岩体内裂隙不断扩展，承载能力逐渐下降，随着工作面的前进，上覆岩层的垮落层位不断上升，矸石破碎、冒落，岩层反转下沉，采空区冒落的矸石与岩层相接触并且逐步的压实，形成稳定的拱形结构。因为拱形结构的存在，在煤层中出现应力增高区、应力降低区和原岩应力区，沿空掘巷就是在应力降低区内进行。巷道采用锚杆锚索支护，与巷道护巷小煤柱，共同形成巷道支护小结构。小结构具有一定的支撑作用，承担了巷道周围围岩的压力，也能较好的适应工作面采动条件下对沿空掘巷的支护要求，进而实现掘巷的稳定。目前在综采工作面以及在综放工作面都成功的实现了留小煤柱沿空掘巷。

本方案巷道采用膏体代替煤柱进行护巷，膏体充填比煤柱具有更高的密实度和支承效果，留窄煤柱沿空掘巷，煤柱侧的煤体在上个工作面采动压力作用下，往往变的松散，不利于锚杆充分发挥锚固作用，而膏体充填带作为巷道的一帮，为巷道锚杆支护提供了较好的基础，因此更能适应沿空掘巷要求，也能满足掘巷稳定期和工作采动影响期对围岩稳定性的要求。

2 工程概况

某煤矿330西翼采区3302首采工作面，倾斜长度195 m，走向推进长度设计1260 m，煤层厚度3.84 ～ 5.56 m，绝大部分区域煤层倾角平缓，煤层底板标高-250 ～ -310 m，地面地势平坦，一般标高为+39.5 m左右，煤层埋深290 ～ 350 m。皮带顺槽设计宽度5.7 m，高度4.0 m，矩形大断面，为巷旁充填预留宽度空间2 m。

3 数值模拟

为进一步了解巷旁充填体的稳定性，采用数值计算方法对不同宽度下巷道稳定性进行模拟。模拟过程中分别假设充填体宽度分别为1.8 m和2.0 m。模拟结果如图4所示。

由图4可以知道，在充填体宽度为1.8 m时，塑性区广泛分布剪切破坏区，说明充填体的承载能力受到弱化，对于长期稳定性造成危害。在新掘巷道右方由于采动稳定影响，处于应力降低区域，充填体处应力略微增加。由于有上区段垮落巷道锚杆、锚索的作用影响，顶板的整体性增强，使得应力分担在垮落区和实体煤区域。

图4 数值模拟结果

由以上分析可知，在充填体为2 m的时候，充填体在各个环节都能达到稳定状态。

4 工程应用

4.1 支护设计及参数

试验工作面皮带顺槽沿煤层顶板掘进，选择该煤矿目前回采巷道普遍应用的支护形式，即锚网索联合支护。

顶板锚杆间排距为900 mm×900 mm，铺设金属网，规格为4200 mm×100 mm×10 mm的T型钢带与4400 mm×60 mm的异型钢带相互间隔使用。巷旁充填侧煤帮支护采用Ф20×1800 mm可切割玻璃钢锚杆支护，间排距为1000 mm×900 mm，配套120 mm×120 mm×10 mm规格高强度托盘，两帮采用规格为2600 mm×2000 mm的菱形金属网纵向搭接使用。

4.2 充填设计

巷旁充填主要原材料选择商品混凝土搅拌站所正常使用的碎石、河砂和普通水泥，为了保证充填过程中料浆在管道中稳定不分层、不泌水、不凝结，需要试验选择应用合适的膏体添加剂，以提高膏体充填材料流动性能，控制可泵时间。

充填位置选择在工作面前方100 m左右的地方进行，在工作面开始回采前10 d左右，首先在正常工作面前方运输巷内准备一条超前工作面开切眼一条约100 m的巷道，在运输巷靠近下一工作面的煤壁处浇筑巷旁充填条带。以后按照工作面推进速度(每天10 m左右)安排充填，保持巷旁充填在工作面前方100 m左右以外进行。该设计在工作面不受影响的情况下完成巷道内充填，同时在工作面之前先期充填给充填体凝结充分的时间达到切顶要求的强度，保证了充填体的稳定和更好的切顶效果，也有利于下个区段工作面巷道的维护工作的进行。

4.3 应用效果

为检验膏体厚煤层巷旁充填无煤柱开采技术研究项目的可行性，在3302皮带顺槽设置了相应的观测站，进行围岩变形和顶底板位移进行观测。设置两个观测点A1、A2，A1、A2两点之间的距离相差10 m，A1点在靠近工作面的方向。开始观察时A1点距离工作24 m处。观测及记录数据如图5，图6所示。

图5 A1测站的观测结果

图6 A2测站的观测结果

由图5和图6可知：充填体纵向变形量很小。在距离工作面16～26 m处顶底板移近速度很小，随着工作面推进，顶底板移近量、两帮变形明显加快。在距工作面2 m时A2测站测得充填体侧顶底板最大移近量为13 mm，A1测站处为8 mm，主要是充填带对顶板起到支撑顶板的作用，防止顶板离层下沉。

对比图5和图6可看出，在本次观测期间，3302工作面回采时皮带顺槽围岩变形主要以两帮变形为主，是顶底板相对移近量的2～3倍。图5显示A1测站测得两帮最大变形值为58 mm，是距离工作面2 m处。由前测得充填体横向变形极小，可见两帮移近又主要表现在本工作面煤帮侧的变形，占到总变形的86%以上。可见充填体在控制围岩变形方面起到了积极的作用。

在大采高工作面生产过程中，巷道围岩和充填体几乎没有明显变形。矸石渣混凝土墙经受住了2次采动影响，完全优于传统窄煤柱的支护效果，保证了工作面的正常开采。实践证明，厚煤层巷内预置充填带无煤柱开采技术取了成功。

5 结 论

(1) 充填体的矿压观测结果表明：在本工作面回采时，充填体的应力、变形均较小，最大应力仅为1.44 MPa。说明厚煤层巷内膏体预充填技术可以保证巷道稳定，技术合理，安全可靠。

(2) 与沿空掘巷技术相比，厚煤层巷内预构膏体充填技术成功的取消了煤柱的留设，提高采出率，减少了煤炭损失，还提高了经济收入，同时避免了因为煤柱的留设导致的瓦斯对区段巷道的影响，经济效益和社会效益显著。

(3) 与沿空留巷技术相比，厚煤层巷内预构膏体充填技术提前进行巷内充填，减少了辅助工作对采煤工作的影响，而该技术相对多开掘出一条回风巷，但该巷道的开掘施工简单，也不影响工作面的正常回采。

参考文献：

[1]刘听成.无煤柱护巷的应用与进展[J].矿山压力与项板管理 ,1994(4)：2￣10.

[2]华心祝.我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议[J].煤炭科学技术，2006(12)：78￣81.

[3]侯朝炯，郭励生，勾攀峰,等.煤巷锚杆支护[M].徐州：中国矿业大学出版社，1999.

[4]于守财.浅析沿空掘巷技术及其发展[J].民营科技,2012(2):47￣47.

[5]马立强,张东升,王红胜,等.厚煤层巷内预置充填带无煤柱开采技术[J].岩石力学与工程学报,2010,29(4):674￣680.

[6]孙恒虎，赵炳利.沿空留巷的理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社，1993.