高瓦斯突出煤层原位充填沿空留巷技术研究

刘雨涛，李其振，王鹏伟

(1.贵州能发高山矿业有限公司，贵州 毕节 551500；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

高瓦斯矿井巷道掘进过程中易出现瓦斯突出、巷道内隅角瓦斯积聚、巷道掘进速度慢等问题，从而造成矿井生产采掘接替紧张。沿空留巷采用Y型通风方式，可有效防止上隅角瓦斯积聚，减少巷道掘进工程量，避免出现瓦斯突出现象，提高了煤炭回采率和巷道使用率，是一项绿色、高效的煤矿开采技术[1-3]。目前，高山煤矿接替工作面瓦斯含量高，区域效检指标不合格，运输平巷停掘2个月，采掘严重失调。为保证矿井安全高效生产，采用Y型通风方式进行瓦斯治理，选用具有前期支护阻力大、增阻速度快、易切顶、密闭性较好的预制混凝土砌块的原位充填沿空留巷支护技术是解决这一难题的有效途径。

一直以来，沿空留巷技术都是我国煤炭开采的重要技术发展方向。国内外学者在沿空留巷理论与技术方面做了大量的研究工作[4-6]。特别是针对有墙体护巷的留巷方法研究，罗中[7]认为留巷支护体应布置在“内应力场”范围内，并依据地质条件，设计巷旁充填体强度，提出有效的巷内、巷旁联合支护方案；李迎富等[8]基于关键块滑落失稳及挤压变形失稳的判别条件,提出巷旁支护阻力的计算公式；陈勇等[9]研究得到巷旁支护体设置后可快速增阻、及时支撑顶板、上覆岩层剧烈活动稳定前有较大的变形能力及稳定后有较高的后期强度的作用机制。到目前为止，沿空留巷技术的主要支护形式有木垛(密集支柱)留巷、矸石带留巷、预制混凝土砌块墙留巷等多种形式[10-12]。付东辉[13]通过对覆岩大小结构理论、巷旁支护理论、砌墙不同位置时沿空巷道特点等进行分析，在新发矿5101工作面成功进行预制混凝土砌块隔离墙沿空留巷；毕俊刚等[14]通过对王庄煤矿综放沿空留巷进行相似模拟实验，认为充填体宽度不能改变顶板运动状态，但随着充填体宽度的增加，巷道顶板下沉量、实体煤帮鼓出量都呈下降趋势。基于沿空留巷众多理论研究与井下应用，大都集中在支护阻力、强度、材料的设计方面，对原位充填体砌筑位置及宽度等参数的确定，特别是针对高瓦斯突出矿井沿空留巷的研究较少。

以贵州高山煤矿9#煤层1902工作面运输平巷为研究对象，基于高瓦斯易突软弱煤层地质条件，采用预制砌块隔离墙原位充填沿空留巷技术，通过理论计算与数值模拟软件FLAC3D研究原位沿空留巷内砌块隔离墙不同宽度条件下巷道围岩塑性破坏等情况，从而确定合理的隔离墙宽度，保证1902工作面运输平巷沿空留巷的成功，可为类似条件煤矿应用沿空留巷技术提供借鉴。

1 工作面概况

高山煤矿一采区1902工作面位于+1 100 m水平，工作面标高+1 068～+1 143 m，地面标高+1 330～+1 420 m，煤层平均厚度约2.8 m，平均倾角13°，为不易自燃煤层，工作面相对瓦斯涌出量为3.27 m3/t，属煤(岩)与瓦斯突出矿井。该工作面回风平巷长610 m，运输平巷长634 m，采煤工作面倾斜长 176 m，回风及运输平巷均为斜矩形断面，净宽4.8 m、中高2.9 m，掘进断面积为15.1 m2，净断面积为 14.0 m2。煤层顶底板情况见表1。

表1 高山煤矿9#煤层顶底板情况

1902工作面原采用U型通风方式，回采期间工作面频频出现上隅角瓦斯超限现象，下一接替工作面(1903采煤工作面)由于瓦斯含量较高，区域效检指标不合格，1903运输平巷停掘，采掘严重失调。为此，高山煤矿将正处于回采中的1902运输平巷进行沿空留巷，将其留作1904采煤工作面的回风平巷，从而减少瓦斯突出与巷道掘进量，加快后续采面的布置，缓解采掘接替紧张局面。

2 预制砌块隔离墙留巷方案确定

2.1 隔离墙体位置选择

根据9#煤层顶板岩性分析，该煤层顶板为粉砂或细砂岩，厚度大，较稳定，且1902运输平巷掘进期间除了终采线附近外其余地方均未揭露较大断层，顶板状况良好。1902工作面运输平巷原支护方式为锚网索支护，支护强度较高，利于留巷期间顶板及支护管理。同时，1902工作面运输平巷掘进断面较大，平均净宽达到4.8 m，留巷宽度可达到2.0 m以上，具有较好的留巷条件。综合对比分析，将混凝土砌块隔离墙布置在巷道内优势明显，隔离墙体布置如图1所示。

图1 巷内布置支护体沿空留巷示意图

2.2 砌墙宽度设计

2.2.1 砌墙宽度设计力学计算

根据力学模型及现场实践，得到充填墙体砌筑宽度上下限理论公式[15]。

巷内充填墙体宽度上限取值为：

(1)

式中：a为支撑墙体的宽度,m；R为支撑墙体的强度,MPa；h1、h2分别为直接顶、直接底的厚度,m；E、E1、E2分别为巷内墙体、直接顶和直接底岩体的弹性模量,MPa；m为煤层的厚度,m；k为直接顶碎胀系数；l为关键块体的长度,m；δ为墙体充填时形成的空顶量,m；b为巷道宽度,m；x0为基本顶旋转基点到煤帮的水平距离,m。

巷内充填墙体宽度下限取值为：

(2)

式中：n为墙体所受到顶板压力，一般相当于 4～8 倍采高的岩体重量,MPa；ρ为直接顶的岩体平均密度，kg/m3；g为重力加速度，一般取9.8 m/s2；σ为巷旁墙体的初期强度,MPa。

结合高山煤矿相关地质参数，取h1、h2分别为0.57、2.60 m,E、E1、E2分别为3.5×103、(5.48～20.78)×103、(3.65～7.31)×103MPa，煤层平均厚度m为2.8 m，k取1.3～1.4，l根据经验取2.1～2.8 m,δ取0.05～0.16 m，巷道宽度b为4.8 m。经上述公式计算，得到混凝土砌块隔离墙的宽度设计范围为 0.72～1.68 m。

2.2.2 不同墙体宽度留巷方案选定

基于理论计算得到的充填墙体宽度范围，提出3种隔离墙宽度留设方案：方案1，隔离墙宽度0.8 m；方案2，隔离墙宽度1.2 m；方案3，隔离墙宽度 1.6 m。采用FLAC3D软件模拟不同隔离墙宽度条件下围岩巷道塑性破坏、应力变化和围岩变形情况。

1)巷道围岩塑性状态分析

3种方案巷道围岩塑性状态分布如图2所示。由图2可知，从隔离墙采空区侧上方顶板应力状态变化分析隔离墙切顶能力强弱，方案3的留巷充填体上方顶板出现明显的拉剪破坏，塑性区破坏范围较大，切顶能力最强；其次是方案2，最差的是方案1。说明在同样隔离墙强度条件下，随着隔离墙宽度的增加，隔离墙切顶能力会增强。

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

2)沿空巷道两帮应力分析

在3种方案模拟过程中，对留巷的煤体与隔离墙承受垂直应力进行监测，巷道围岩应力具体分布情况如图3所示。

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

煤体应力曲线、砌筑隔离墙体应力曲线分别见图4、图5，可以看出，方案1、方案2、方案3的煤体应力峰值分别为26.6、24.8、24.3 MPa，其对应充填墙体应力峰值分别为33.6、30.0、29.2 MPa。随着隔离墙宽度增加，墙体承受的垂直压力越大，应力集中系数也就越高，相对应的留巷煤体侧承受的垂直压力减小，应力集中系数降低，这种变化在方案1、方案2之间尤为明显，在方案2、方案3之间仍然符合这种规律，但变化已经不是很明显。即增加隔离墙宽度有利于减小巷道煤帮的承压和变形，但有一定的范围，且随着巷旁充填隔离墙体宽度的增加，留巷充填隔离墙体的承载能力越强，巷道围岩越稳定。

图4 煤体应力曲线

图5 砌筑隔离墙体应力曲线

3)巷道变形量分析

将方案1、方案2、方案3中留巷两帮位移情况作对比分析，计算3种方案两帮移近量大小关系：方案1>方案2>方案3。图6、图7分别为方案2巷道垂直位移、水平位移分布图。其中方案1煤体水平移近量超过170 mm，隔离墙水平移近量达到 70 mm；煤体和隔离墙已经被压坏，产生塑性流动，所以在工作面推过监测点约35 m后，两帮变形持续增大。方案3中两帮水平位移的规律与方案2中的基本一致，不同之处在于，方案3的水平移近量比方案2更小，对围岩的控制效果更好，但总体来说，二者相差不大。

图6 方案2巷道垂直位移分布图

图7 方案2巷道水平位移分布图

将方案1、方案2、方案3中留巷两帮移近量及顶底板位移情况作对比分析，如图8、图9所示。就顶板下沉量来说，方案1最大，方案2次之，方案3最小，随着隔离墙宽度的增加，巷道的顶板下沉量会减小；方案2与方案3中煤体侧顶板下沉量与隔离墙侧顶板下沉量相差为150 mm左右，而方案1中巷道两侧顶板下沉量相差超200 mm。所以从隔离墙与煤体变形协调方面来讲，方案1最差，方案2、方案3相差不大；方案1中隔离墙侧巷道顶板在工作面推过监测点100 m后仍然持续变形，隔离墙已经被压坏。

图8 巷道围岩两帮移近量曲线

图9 巷道围岩顶底板移近量曲线

综上所述，方案1不能满足安全生产的要求，不予采纳；方案3对顶板、煤体的控制效果优于方案2，但对底板的控制比方案2差，总体来说二者对围岩控制效果相当，均能满足安全生产的要求；方案2的生产成本低于方案3，故选用方案2，即隔离墙宽度确定为1.2 m。

3 工程应用

3.1 预制砌块隔离墙工艺流程

沿空留巷巷道施工基本可分为4个步骤，支架移架后为防止采空区空顶施工，必须对顶板采取有效临时支护后方可进行其他作业，顺序为：支架移架→临时支护→施工木垛(开始留巷时打设)→密集点柱加强支护→混凝土预制块砌墙→施工隔离矸石袋墙(每6 m一个)。

混凝土预制块按水灰比为0.5、石灰比为5(质量比)的比例进行配制，混凝土砌块强度等级达到C20。混凝土砌块长度×宽度×厚度=400 mm×200 mm×150 mm。待混凝土砌块放置28 d后达到100%设计强度时才可进行搬运、堆放、砌筑。按砌块排列组砌图在墙体线范围内分块定尺、划线、组块，砌块排列组砌图如图10所示。

图10 墙体砌块排列示意图

3.2 留巷效果分析

将隔离墙宽度设计为1.2 m，对高山煤矿1902工作面运输平巷进行原位沿空留巷，沿空留巷隔离墙布置如图11所示。通过对巷道变形情况与混凝土砌块墙受力情况进行矿压监测，以检测留巷效果，并为后续留巷支护参数优化提供依据。

图11 留巷隔离墙布置示意图

1)巷道变形控制效果分析

在1902工作面运输平巷中共布置5个巷道变形观测面，每个观测面相距30 m，观测内容主要是顶底板相对移近量和两帮相对移近量。沿空留巷顶底板、两帮各测点移近量如图12、图13所示。

图12 沿空留巷顶底板各测点移近量

图13 沿空留巷两帮各测点移近量

由图12、图13可见，砌墙沿空留巷后变形明显增大，但总变形量在观测期内并不是很大，后期顶底板平均总移近量基本维持在250 mm±50 mm，两帮平均总移近量维持在200 mm±20 mm。巷道有一些底鼓，但和一些深部巷道的底鼓相比，底鼓值较小，墙体基本上稳定，只是在个别地点，受地质构造影响，巷道变形略大。总体来说，沿空留巷是稳定的。

2)混凝土砌块墙受力分析

在沿空留巷中每隔50 m在墙体底部布置1个压力计，第1个压力计距离开切眼50 m，使用数据采集器采集数据，墙体应力监测结果如图14所示。

图14 墙体应力监测结果

根据压力计监测数据显示，砌墙约130 m以后，墙体受力比较稳定。

综合以上监测结果，评价1902工作面运输平巷沿空留巷效果总体良好。利用混凝土砌块墙作为原位沿空留巷支护可以有效控制顶板下沉，保证所留巷道的整体稳定性。

4 结论

1)选用预制混凝土砌块的原位充填沿空留巷支护技术，将隔离墙体布置在巷道内进行原位充填，并通过理论计算，得到隔离墙体砌筑宽度范围为0.75～1.68 m。

2)对比分析墙体宽度为0.8、1.2、1.6 m 3个方案的巷道围岩塑性破坏、应力、位移情况，随充填墙体留设宽度增大，墙体切顶能力增强，巷道煤帮的承压和变形减小，但有一定的范围，且随着巷旁充填体宽度的增加，留巷充填体的承载能力越强，巷道围岩越稳定。当墙体宽度为0.8 m时，煤体水平移近量超过170 mm，隔离墙水平移近量达到70 mm，留巷效果最差；当墙体宽度为1.2、1.6 m时，留巷效果差别不大。最终选择1.2 m作为留巷墙体留设宽度的方案。

3)通过现场观测顶底板平均总移近量基本维持在250 mm±50 mm，两帮平均总移近量维持在 200 mm±20 mm；砌墙约130 m以后，墙体基本上稳定，1902工作面运输平巷沿空留巷效果总体良好。可为类似条件煤矿应用沿空留巷技术提供借鉴。