大采高高水材料巷旁充填体宽度与强度试验研究与应用

崔景昆，丰云雷，孙春东,3，李 盟

(1.河北工程大学 资源学院，河北 邯郸 056038；2.河北省煤炭矿井建设工程技术研究中心，河北 邯郸 056038；3.冀中能源 邯郸矿业集团有限公司，河北 邯郸056002；4.四川宜宾学院 矿业与安全工程学院，四川 宜宾 644100)

大采高高水材料巷旁充填体宽度与强度试验研究与应用

崔景昆1,2，丰云雷1，孙春东1,3，李 盟4

(1.河北工程大学 资源学院，河北 邯郸 056038；2.河北省煤炭矿井建设工程技术研究中心，河北 邯郸 056038；3.冀中能源 邯郸矿业集团有限公司，河北 邯郸056002；4.四川宜宾学院 矿业与安全工程学院，四川 宜宾 644100)

沿空留巷关键是确定巷旁充填体的宽度和强度，然后再通过观察留巷顶板下沉、巷道变形以及当受采动影响稳定后，巷道断面大小是否满足生产需要，以最终确定留巷的成功与否。根据亨建煤矿实际地质生产条件，通过采用河北工程大学CM250/18平面应力试验台做为模型，做一系列的相似模拟试验。最后，通过观测数据分析来确定亨建煤矿2505工作面的特定条件下沿空留巷最终充填体的宽度和强度。

高水材料；充填体；宽度与强度；相似模拟；沿空留巷

冀中能源邯矿集团亨建煤矿是一个开采已久的老矿井。煤炭资源紧缺，开采强度大，为了延长矿井的服务年限，集团公司及矿领导一直重点关注如何提高煤炭资源的采出率。正常的工作面回采巷道之间一般要留设8～15m的区段保护煤柱，这样造成了极大的煤炭资源的浪费，为了能回收这一区段保护煤柱，集团公司在亨建煤矿2505工作面采用了沿空留巷技术。这一技术的成功应用不仅使煤炭资源采出率低的现象得到很大改观，同时还减少了区段回采巷道的掘进工程量、掘进费用等，与此同时还解决了工作面接替紧张的问题。

1 工作面地质概况

亨建矿2505工作面主采2号煤，厚度在4.0～4.3m之间，煤层厚度变化不大，平均厚度为4.2m，煤层倾角为5～8°，平均为6°。煤层底板以上约1.2m处有0.12～0.18m厚的粉砂岩夹矸。2号煤层直接顶为厚2m左右的粗砂岩，该岩层的胶结形式为泥质胶结；基本顶为细砂岩，层理较发育；直接底为2.2m厚的粗砂岩；通过轨道下山的揭露可以看出基本底为8.5m厚的中细砂岩。工作面水文条件简单，顶板有局部淋水现象，涌水量约为8m3/h。

2 巷旁充填体宽度的确定

2.1 巷旁充填体宽度相似模拟实验

实验采用河北工程大学矿压实验室CM250/18平面应力试验台为试验模型。根据本煤矿地质条件，尤其是2505工作面煤层、煤层底板以下50m、顶板向上直至关键层以上20m岩层的岩性及相关力学参数、地质构造为依据，并按几何相似比1∶200，强度相似比1∶333的比例用相似材料来模拟出煤层及顶底板岩层，主要岩层模拟材料配比见表1。提前计算好要留设巷道的位置，并在煤层之上根据实际巷道的支护形式模拟顶板时预先埋入锚杆锚索，后期巷道开挖后再加入锚网支护。待模型干燥并和实际的地质条件相符之后，关键层之上没有模拟出来的岩层，可以根据其自重用杠杆重锤加载系统加以补偿。

表1 主要岩层模拟材料配比

待模型干燥加压后，开始在原设计好的地方根据实际巷道的尺寸按照比例进行开挖。巷道开挖稳定后开始进行2505模拟工作面的回采，同时用相似材料模拟高水材料做出相应的浆体填充到事先计算和设计好的充填体模型中，为了找到在亨建矿该煤层所特定的地质条件下在技术和经济上最合理的充填体宽度，分别设计了1.5m，2.0m，2.5m，3.0m，3.5m，4.0m相应比例尺下的模型，共做6个模型。

2.2 巷旁充填体宽度相似模拟条件下的顶板观察

在以上6种巷旁充填体的条件之下，把实际距留巷侧煤壁距离分别为-9m，-6m，-3m，0m，1.5m，3m，6m按照相似比1∶200转化成相似模拟条件下的距离分别为-450mm，-30mm，-150mm，0mm，7.5mm，150mm，30mm，并在这6个点上安装仪器用来测量顶板的下沉量。每2d测1次下沉量，实验数据测量时间为直到现场下一工作面开始回采为止。相似模拟沿空留巷见图1。

图1 相似模拟沿空留巷

2.3 巷旁充填体宽度相似模拟条件下的数据分析

将相似模拟宽度试验所测得的数据整理好之后，将其几何相似比转化成工作面现场的留巷顶板下沉量数据，经过分析做成曲线图，见图2。

图2 2505留巷顶板下沉曲线

通过分析图2下沉值随测点的变化曲线可以得出以下结论：

(1)从煤壁内9m开始到煤壁外6m顶板下沉量逐渐增加。

(2)随着充填体宽度的增加顶板的下沉量逐渐减小。

(3)当充填体的宽度超过2.5m后顶板的下沉曲线基本没有太大变化。

综上所述，顶板的下沉量是随着充填体宽度的增加而降低，但是考虑到随着充填体宽度的增加其成本也会相应增加。根据2505工作面地质条件和现场实测得出当充填体的宽度达到2.5m时顶板的下沉量可以控制在200mm以内，达到了亨建矿2505工作面留巷的标准要求。当充填体的宽度再增加时其顶板下沉值和充填体宽度为2.5m时没有太大的变化，考虑高水材料价格较高等多种因素，故亨建矿2505工作面的巷旁充填体宽度定为2.5m。

3 巷旁充填体强度的确定

3.1 巷旁充填体强度相似模拟实验

充填体强度确定的相似模拟材料模型同样也是采用河北工程大学矿压实验室CM250/18平面应力试验台作为试验模型。其巷旁充填体的强度分别为2.0MPa，4.0MPa，6.0MPa，8.0MPa，10.0MPa，12.0MPa。在这6个模型的条件下分别观察顶板的下沉量。充填体强度设计压力实验见图3。

3.2 巷旁充填体强度相似模拟条件下的顶板观察

在以上6种巷旁充填体强度的条件之下，把实际距留巷侧煤壁距离分别为-4.5m，-1.5m，0m，1.5m，4.5m按照比例尺转化成相似模拟条件下的距离分别为-22.5mm，-7.5mm，0mm，7.5mm，22.5mm，并在这5个点上安装仪器用来测量顶板的下沉量。每2d测1次下沉量，实验数据测量时间为直到现场下一工作面开始回采为止。

3.3 巷旁充填体强度相似模拟条件下的数据分析

将相似模拟强度试验所测得的数据整理好之后，将其转化成工作面现场的留巷顶板下沉量数据，经过分析做成曲线图，见图4。

图4 2505留巷顶板下沉曲线

通过分析图4可以得出以下结论：

(1)从煤壁内4.5m到煤壁外4.5m顶板的下沉量逐渐增加。

(2)顶板下沉量随着充填体强度的增大逐渐减小。

(3)当强度达到5.5MPa后顶板随充填体强度的增加其下沉量的减小基本趋于平稳。

综上可知，在亨建矿这一地质条件下当充填体的强度超过5.5MPa后顶板的下沉量基本趋于平稳，且顶板下沉量在留巷的设计下沉量之内。为保证充填体能够长期稳定，当充填体处于稳定蠕变阶段，必须使充填体所承受的载荷不得超过其强度的70%～80%。当外界条件一样时充填体的费用会随着充填体的强度增加而增大，当强度分别为5.5MPa和11MPa时顶板的下沉量都可以控制在要求之内，考虑到安全因素，留有一定的安全富裕量。故充填体的强度确定为6MPa。

4 2505工作面留巷优化方案

亨建煤矿在2313工作面成功留巷经验的基础上对2505工作面留巷方案进行了优化。通过方案的优化有效地控制了2505工作面巷道顶板及采空区侧800mm范围内破碎顶板的冒落问题。

在工作面推过去之后充填袋吊挂之前，在采空区侧和所留巷道内分别支设2组和3组ZX28800/20/32沿空留巷支架及时支撑顶板，防止顶板的离层及垮落。支架前后组之间互为支点并带压移架防止局部破碎顶板冒落。支架的宽度为1700mm，根据顶板情况，初撑力不低于2500kN。沿空留巷支架距离将要吊挂的充填包距离应控制在400mm以内，以便于充填体施工。

为了控制采空区侧支架上方顶板的冒落，以及支架采空区侧垮落的矸石涌向支架，需要提前在2505工作面支架的前方铺设3层尺寸为1m×8m的经纬网以防顶网被撕破进而导致矸石涌向留巷作业区。其中8m长边平行于工作面布置，网边搭接500mm，并用金属丝连接；短边与巷道内的顶网间隔200mm，用14号铅丝捆绑。并在网下每间隔800mm搭接3m的木板梁，其中一端搭接在排头支架上，另一端搭接在超前支护铰接梁上。采空区侧则采用1.2m一字铰接顶梁同时配合伸缩量可达4m的单体支柱构成一梁二柱进行护顶，初撑力不能小于50kN。为了使充填体具有一定的支撑强度，支柱至少要等8d后方可拆除。

留巷工作面布置见图5，留巷效果见图6。

图5 留巷工作面布置

图6 2505工作面沿空留巷效果

5 结论

高水材料充填沿空留巷成功的前提是要保证所要留下的巷道的断面必须满足要求，根据亨建矿2505工作面的地质条件进行了相似模拟实验得到的充填体的最佳宽度为2.5m，最佳强度为6MPa。通过把实验得到的充填体参数应用到2505工作面留巷中，取得了良好的效果和较好的经济效益。2505工作面通过留巷采出的区段煤柱创造的净利润达到1854.8万元。

[1]杨百顺，谢 洪.综采沿空留巷充填墙体合理宽度的数值模拟研究[J].煤炭工程，2011(4)：73-75.

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[3]蒋金泉.采场围岩应力与运动[M].北京：煤炭工业出版社，1993.

[4]王茂盛.全锚巷道沿空留巷技术[J].煤炭工程，2003(5)：32-33.

[5]张 川，文志杰，胡善超.采场顶板控制理论在沿空留巷中的应用[J].煤矿安全，2011(4)：119-120.

[6]钱鸣高，刘昕成.矿山压力及其控制[M].北京：煤炭工业出版社，1992.

[7]孙春东，张东升，等.大尺寸高水材料巷旁充填体蠕变特性试验研究[J].采矿与安全工程学报，2012，29(4).

[责任编辑：姜鹏飞]

TestofHigh-waterMaterialWidthandStrengthforRoadway-sideStowingandItsApplication

CUI Jing-kun1,2,FENG Yun-lei1,SUN Chun-dong1,3,LI Meng4

(1.Resource School,Hebei Engineering University,Handan 056038,China;2.Hebei Provincial Coal Mine Construction Engineering Technology Center,Handan 056038,China;3.Handan Mining Group Co.,Ltd.,Jizhong Energy Group,Handan 056002,China;4.Mining & Safety Engineering School,Sichuan Yibin College,Yibin 644100,China)

The key of driving roadway along gob is obtaining width and strength of stowing body.Success of driving roadway along gob was judged by roof subsidence,roadway deformation and that whether roadway section meet mining requirement after the roadway was influenced by mining.According to actual geological and mining condition of Hengjian Colliery,applying CM250/18 plane stress test platform to making analogue simulation,rational width and strength of stowing body was obtained for 2505 mining face of Hengjian Colliery.

high-water material; stowing body; width and strength; analogue simulation; driving roadway along gob

2014-02-25

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.017

崔景昆(1960-)，男，河北正定人，教授，河北工程大学资源学院矿业工程教研室主任，主要从事采煤新技术及“三下”采煤等方面的研究。

崔景昆，丰云雷，孙春东，等.大采高高水材料巷旁充填体宽度与强度试验研究与应用[J].煤矿开采，2014，19(5)：58-60.

TD353

B

1006-6225(2014)05-0058-03