矸石充填开采沿充留巷挡矸系统设计与施工工艺探讨

吴玉意 朱 磊 黄剑斌

（中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054）

为了开采“三下”压煤或解决矸石等固废排放问题，在采煤工作面回采时，将充填材料充入采空区，顺槽范围不充填，同时，将顺槽通过特殊支护材料或支护技术沿充填材料边缘保留下来，称为沿充留巷。沿充留巷少掘一条顺槽，回收了煤柱，同时，充分利用了充填开采减压降沉的功能，与沿空留巷相比，压力低，变形小，成本低，效果好。沿充留巷能够有效兼顾煤矿开采的经济效益与环境效益，不但解决矸石排放问题、环境问题和土地资源问题，而且一定程度上可控制沿空巷道围岩稳定性[1-7]。

如何在进行矸石充填开采的同时，有效挡矸进行沿空留巷，是摆在当前的难题。主要表现在两个方面：（1）矸石随采随充，紧跟支架后方，矸石本身由于重力作用产生重力侧压力，在充填支架夯实压力作用下，又增加了机械夯实侧压力；（2）距离充填支架后方一定距离，顶板垮落压实采空区矸石，产生附加侧压力。本文探讨矸石充填开采条件下沿充留巷挡矸系统参数设计及施工工艺。

1 矸石充填开采沿充留巷介绍

如图1（a）所示，矸石充填开采是将矸石等充填材料通过运矸系统输送至悬挂在充填液压支架后顶梁的多孔底卸式刮板输送机上，再由多孔底卸式输送机的卸料孔将矸石充填入采空区，最后经过充填支架后部夯实机构进行夯实。而矸石充填开采沿充留巷则是将矸石充填开采与沿空留巷结合起来，在矸石充填开采的同时，将顺槽保留下来，为下一个工作面服务，如图1（b）所示。

2 矸石充填开采沿充留巷挡矸系统设计

2.1 挡矸系统组成及结构

为保障沿充留巷成功，需要在端头架后方设置挡矸系统。挡矸系统由金属网、架间锚索、单体、木点柱、挡矸装置、墩柱组成。从采空区向留巷方向，依次为挡矸装置、金属网、单体+木点柱、墩柱。由于上述挡矸材料在采空区施工，为保证顶板支护安全，在1#、2#支架之间补打架间锚索。挡矸系统组成之间的相互位置关系如图2所示。

图1 矸石充填开采沿充留巷示意图

图2 挡矸系统三维示意图

2.2 挡矸系统参数设计

设计依托工程为葫芦素煤矿CT21201工作面主采2-1煤，煤层平均埋深628m，平均开采厚度3.46m。直接顶主要为粉砂岩，平均厚度9.7m。工作面长度80m，对运煤巷进行沿充留巷，运煤巷断面为矩形，高度3.2m，宽度5.4m。

图3 挡矸系统结构图

挡矸系统参数设计：架间锚索规格为Φ17.8×6200mm，间距1.2m；木点柱规格为Φ200×3200 mm，间距1.2m，木点柱中间布置临时单体；金属网采用双层，外层采用8#菱形金属网，网格40×40mm，内层采用Φ6光圆钢筋焊接金属网，网格100×100mm，每片尺寸1.0×3.2m；墩柱直径0.8m，中心距1.2 m。具体如图3所示。

挡矸装置如图4所示，由钢板焊制而成，呈刀把型，高度3m，长度12m，厚度50mm，内侧加焊11#工字钢，设5排，排间距0.5m，增加挡矸装置刚度，避免推力作用下发生弯曲变形。

图4 挡矸装置立面图

2.3 挡矸装置摩阻力验算

由于挡矸装置通过充填支架进行拉移，挡矸装置受矸石侧向摩擦力，采用朗肯土压力理论计算主动土压力。挡矸装置的主动侧压力计算公式为：

式中：

Ea-主动矸石压力， kN/m；

γ- 矸石容重，kN/m³；

H-矸石高度，m；

φ-矸石内摩擦角，°。

根据充填开采情况，γ=1.8 t/m³，H=3.2m，φ=30°，代入公式（1），得Ea=30.72kN/m3。

摩阻力计算公式如（2）所示：

式中：

μ-摩擦系数；

Ea-侧压力，N。

取矸石与挡矸装置的摩擦系数为0.2，挡矸装置与木点柱之间的摩擦系数为0.3，根据公式（2）计算，挡矸装置所受摩阻力为15kN/m。挡矸装置与矸石及木点柱有效接长度为9m，则合计摩擦力为 =15×9=135kN。

充填支架重量40 t，支架推拉油缸拉力800kN，按充填支架与底板摩擦系数0.2计算，则所需拉力为充填支架摩阻力与挡矸装置摩阻力之和，两者和为215kN，远小于推拉油缸800kN，安全系数达到3.7，满足要求。

2.4 巷旁支护挡矸强度验算

巷旁支护采用混凝土墩柱，需要验算两个方面：第一，在采空区矸石侧压力作用下不发生侧向位移；第二，在侧压力作用下本身不发生弯曲破断。

（1）抗侧移验算

巷旁支护体强度采用修改分离岩块法进行计算，力学模型如图5所示。

图5 沿充留巷力学计算模型

根据上述模型，分离岩块以煤壁起裂点为o点，力矩总和为零且巷道处于力学平衡状态，得出墩柱受力计算公式：

式中：

a-起始断裂位置到煤壁宽度，m；

x-巷旁支护宽度，m；

c-悬顶距，m；

γ-分离岩块容重，kN/m3；

hz-等价采高，m；

α-直接顶垮落角，°；

H-垮落带高度，4倍采高，m；

q-上部载荷，kN/m；

k-覆岩影响倍数；

F-支护体荷载，kN/m；

L-分离岩块的长度，m。

根 据 公 式（3），b为5.4m，x为0.8m，c为1m，γ为 24kN/m3，hz为 0.9m，α为 17 °，H为12.8m，a取0m，k取15，L为7.2m。计算可得每米巷旁支护体的荷载为3721kN/m，墩柱中心距1.2 m，即墩柱承受荷载为3721kN/m×1.2m=4465kN。

墩柱承受顶板与底板两端摩阻力，摩擦系数取0.2，根据公式（2），可得墩柱受顶底板夹持所产生的摩阻力为f=4465×0.2×2=1786kN。

沿充留巷滞后工作面一定距离后，采空区顶板垮落下沉，对充填体产生压力，增加了侧向压力，侧向压力计算公式如下：

式中：

q-充填体上部荷载，kN/m。

等效采高按0.9m计算，荷载取采高的6倍，岩石容重取24kN/m³，则产生在充填体上的荷载为129.6kN/m2，代入公式（6），可得充填体顶部侧压力为Pa1=43.2kN/m，底部侧压力Pa2=62.4kN/m。对墩柱产生的侧压力计算公式为：

根据公式（7），h为3.2m，得Ea=168.9kN/m，单根墩柱挡矸范围长度1.2m，则侧压力为202kN/m。根据上述计算，矸石侧向压力远小于墩柱在顶底板夹持下具有的抗移能力1791kN。

（2）抗弯能力验算

为简化计算，将侧向压力看作均布荷载，则墩柱的弯矩计算公式为：

根据公式（6），q=63.1kN/m，h=3.2m，得出M=80.7kN.m。偏心距计算公式为：

根据前述计算，F=4465kN，得偏心距为0.018m，属于小偏心受压，满足抗弯及稳定性要求。

3 矸石充填开采沿充留巷挡矸系统施工工艺

3.1 总体工艺

结合葫芦素煤矿工程地质条件，沿充留巷总体方案如图6所示。工作面三巷布置，运煤巷出煤，进矸巷运矸，辅运巷运送材料及混凝土。运煤巷进行沿充留巷。施工时，在端头支架前铺设菱形金属网，端头支架1#、2#架支架拉开300mm间距，架间打设架间顶锚索。端头架后方拖挡矸装置。充填采煤工作面推过后，立即在支架后方贴挡矸装置架立挡矸网并打木点柱及单体支护。之后支设墩柱管模，然后向管模内泵送注入混凝土形成墩柱。为了在墩柱形成有效强度以前及时支护顶板，在工作面后方一定范围内及时支设一梁四柱作为临时支护。与此同时，在工作面后方一定距离对墩柱之间的金属网进行喷浆封闭采空区。

图6 充填留巷围岩控制方案平面布置

3.2 墩柱施工工艺

墩柱不仅作为挡矸系统的重要组成部分，还是巷旁支护的主体，墩柱的施工质量关系到沿充留巷的成败。其施工设备主要包括地面混凝土制备输送机组、井下混凝土上料机、井下混凝土搅拌机、井下混凝土泵。井下设备布置在留巷内，滞后工作面300m。模板采用具有接顶功能的管模，混凝土材料采用远距离泵送免振捣早强混凝土。具体施工工序为：地面拌和混凝土干料→干料地面向井下运输→支模→上料、搅拌、泵送→注入管模中→接顶完成墩柱施工。

4 结论

（1）给出了矸石充填开采沿充留巷挡矸系统组成及结构，提出了挡矸系统设计方法及公式，并针对葫芦素煤矿充填开采沿充留巷，对挡矸系统的可靠性进行了验算。

（2）同时探讨了矸石充填开采沿充留巷挡矸系统工艺，重点介绍了墩柱施工方法，为类似工程提供了借鉴。