高水充填技术在下行开采沿空留巷中的应用

常利军

【摘 要】 文章针对煤矿下行开采中围岩应力集中、巷道支护困难的问题，基于对沿空留巷围岩活动规律及受力分析和高水速凝材料巷旁充填工艺的特点，在某矿2304工作面轨道顺槽采用了高水充填沿空留巷技术。现场实测结果表明：下行开采沿空留巷中顶底板和两帮相对移近量分别为86mm和112mm，有效控制了巷道围岩变形，为巷道安全复用提供了保证。

【关键词】 高水速凝材料;巷旁充填;沿空留巷;围岩变形

【中图分类号】 TD353 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）01-0011-03

沿空留巷技术属于无煤柱开采技术，具有高煤炭回采率、可缓解采掘接替紧张、优化通风系统和消除煤柱应力集中等优点，近年来在我国各大矿区得以广泛应用。下行开采沿空留巷时，下位煤层顶板岩层结构和应力环境受上位煤层采动影响而发生变化，为巷道围岩控制造成困难。高水速凝材料巷旁充填凭借支护阻力大、增阻速度快、机械化程度高及可与顶板下沉相适应等特点，成为了一种十分理想的沿空留巷巷旁支护材料。某矿2304工作面轨道顺槽位于2#煤层采空区下方，为了解决该矿下行开采中围岩应力集中、巷道支护困难等难题，在2304工作面轨道顺槽进行了高水速凝材料巷旁充填沿空留巷试验。

1工程概况

2304工作面位于3#煤层2采区左翼，井下标高+740～+800m，平均标高+770m;地面标高+1201～+1354m，平均标高+1277.5m。3#煤层厚度1.84～3.06m，平均厚度2.45m;煤层倾角2°～12°，平均倾角7°。3#煤层结构简单，赋存稳定，为全区可采煤层。3#煤层与上位2#煤层平均间距3.06m。2304工作面頂底板情况如图1所示。

2304工作面北邻2302工作面采空区，南为2306工作面（设计开采），东为二采区皮带巷，西为井田边界。工作面布置情况如图2所示。在2304工作面回采结束后，将2304轨道顺槽保留下在2306工作面回采时作为进风顺槽复用，以减少巷道掘进量，提高工作面生产效率。

2下行开采顶板岩层活动及巷旁充填体作用分析

近距离煤层下行开采时，上位煤层回采期间及回采后形成的应力集中区对下位煤层顶板岩层造成一定程度的损伤，且该损伤按一定的规律由上向下传递。在下位煤层回采期间，其矿压显现因受上位煤层回采和本煤层回采而更加剧烈和复杂。此外，在工作面回采初期，其顶板小部分岩层率先发生垮落，而随工作面推进距离增大到一定程度后，其顶板才会发生岩层整体破断和垮落。虽然，下位煤层顶板因上位煤层回采而发生损伤和破坏，但研究表明此时的岩层仍表现出良好的力学连续性，故在下位煤层回采时仍可将其顶板作为弹性薄板进行分析。对于采空区顶板而言，在其发生岩层整体破断前可将顶板岩层视为四边固支薄板，且随工作面推进，顶板岩层先沿薄板的长边破断，继而沿其短边破断，最后在其中部产生拉裂纹，最终顶板岩层形成“O-X”式破断。

由于巷旁充填体具有早期强度高和增阻速度快等特性，且随工作面推进而构筑，因而通过在巷道采空区侧构筑充填体，可有效防止巷道顶板沿长边发生破断和离层的发生，继而防止其发生进一步的破坏。另外，受工作面推进影响，巷道基本顶发生破断、失稳和沉降，因此务必确保巷旁充填体支护阻力在基本顶破断时达到切顶阻力而将采空区侧基本顶切断，达到降低巷旁充填体载荷的目的。此外，巷旁充填体具有一定的可缩量，能较好地适应顶板岩层达到新平衡之前发生的沉降变形。

3高水速凝材料巷旁充填工艺

3.1充填设备的选择

高水速凝材料的输送形式可分为两类：即风力输送与水力泵送。风力输送距离短，一般只有100～200m，工人劳动强度大，工作环境灰尘多，且风力输送在充填点加水，水量控制困难，往往造成巷旁充填体各部分强度高底不一，影响整体浇筑效果。水力泵送与风力输送相比具有许多优点，见表1所示，因此选用水力泵送高水速凝材料。

高水速凝材料的甲料和乙料两部分必须等量进浆、混合均匀，其强度才能达到最大，传统泵由于两侧注浆泵不能同时进行进浆和出浆工作，且注浆量不同，而导致两种料浆不能等量进浆和搅拌不均匀。因此，本文采用了2ZBSB8～1.1/6-22型矿用双液变量注浆泵，该泵双缸相互独立，通过两个吸排口能按照1∶1的比例同时进行甲料和乙料的注浆，其基本性能指标如表2所示。

3.2充填工艺

高水速凝材料巷旁充填基本工艺流程如图3所示。

该充填系统主要由井下充填泵站、输送管路和充填点3部分组成。首先，将当天所需甲料和乙料分别存于充填泵站;然后将甲料和乙料分别在1#、2#和3#、4#搅拌桶中搅拌（5#、6#搅拌桶为备用），且当1#和3#搅拌桶供浆时，给2#和4#搅拌桶加水并上料。在充填点，根据巷内已构筑完毕的充填体对充填空间进行快速定位，并对所充填区域的顶板进行临时支护，将浮煤清理完毕后，将合适的充填袋放在钢筋网内并将其联接好，然后穿上对拉钢筋，并将单体支柱打牢。完成上述工作后，由专人对工程质量进行检查，在充填泵站操作人员收到工程质量合格可进行充填作业的信号后开始启泵充填。充填点设专人对出料口流出料浆进行观察，确保所流出料浆为搅拌均匀的甲、乙混合料浆后，将混合管插入充填袋内进行正式充填。

4巷内支护

4.1巷内基本支护

2304轨道顺槽位于2#煤层采空区下方，由于3#和2#煤层层间距为3.06m（<4m），属极近距离煤层下行开采。上位2#煤层的回采导致3#煤层顶板岩层破坏，完整性降低，在3#煤层回采过程中极易在超前支撑压力作用下发生冒顶危险。基于此，2304轨道顺槽采用U型钢梯形棚+锚杆+短预应力锚索进行支护，具体支护方案如图4所示。

4.2巷内加强支护

基于沿空留巷围岩变形规律，在沿空留巷巷内基本支护的基础上，分超前支护、充填点临时支护和工作面后加强支护三阶段对沿空留巷围岩进行巷内加强支护，具体如图5所示。

超前加强支护。首先，采用3.6m的π型梁+单体柱按照“一梁三柱”的布置方式对2304综采工作面端头进行支护;其次，在巷道两侧超前工作面25m范围内各安装2组ZT2×3200/15/30型超前支护支架，在超前工作面25～30m范围内采用3.6m的π型梁+单体柱按照“一梁三柱”的布置方式进行超前支护。

充填点临时支护。工作面机尾顶板采用铁丝网+W钢带+φ20×2200mm螺纹钢锚杆+铁饼压网进行支护;拉移排头支架后，采用1m的π型梁+单体支柱以“一梁二柱”的布置方式对排头支架尾部至采空区侧2.7m范围内的顶板进行临时支护;另外，采用相同的π型梁+单体支柱以“一梁三柱”的布置方式对支架尾部进行支护。

工作面后方加强支护。为保证开始阶段巷旁充填体结构完整，对采用单体柱按照800×100mm的间排距（共布设4排）对工作面后150m范围内进行加强支护。

5留巷效果分析

为了掌握采用高水速凝材料沿空留巷期间，2304轨道顺槽围岩变形情况，在沿空留巷开始20m处且随后每隔20m设置一个测站（共设置5个测站），对沿空留巷100m范围内的围岩相对移近量进行观测，结果表明：沿空留巷顶底板相对移近量最大值为102.36mm，两帮相对移近量最大值为84.24mm，沿空留巷围岩变形控制效果显著，符合下行工作面安全复用要求。

6结语

文章分析了沿空留巷围岩活动规律及受力情况，基于巷旁充填体作用机理提出了高水速凝材料巷旁充填沿空留巷技术，并给出了具体充填设备和工艺流程;

结合2304轨道顺槽实际工程地质条件和支护情况，提出分超前支护、充填点临时支护和工作面后加强支护三阶段对沿空留巷围岩进行巷内加强支护，并给出了具体支护方案。

【参考文献】

[1]郝立宾，杨永康.大采高综采工作面高水材料沿空留巷试验[J].山西煤炭，2020，40（1）：30-34.

[2]张青春.坚硬顶板沿空留巷巷旁充填体合理宽度确定研究[J].山西能源学院学报，2019，32（6）：10-12，15.

[3]苗鹏.综采工作面高水充填沿空留巷技术应用实践[J].能源技术与管理，2020，45（3）：92-94.

[4]王龙.巷旁充填沿空留巷技术在综放工作面的应用研究[J].山东煤炭科技，2020（6）：15-17，23.

[5]韩俊效，马晋民，石晋松，等.大宁煤矿阶段式高水材料充填沿空留巷技术应用研究[J].煤炭工程，2020，52（4）：6-11.

[6]吕林尊.深部煤层综采工作面高水材料沿空留巷技术[J].山东煤炭科技，2020（2）：35-36，39，43.

[7]金珠鹏.沙坪矿近距离煤层开采覆岩运动规律及围岩变形机理研究[D].北京：中国矿业大学，2018.

[8]徐青云，谭云，黄庆国.近距离煤层群下行开采底板应力分布规律研究[J].煤炭工程，2019，51（8）：89-92.

[9]彭高友，高明忠，吕有厂，等.深部近距离煤层群采动力学行为探索[J].煤炭学报，2019，44（7）：1971-1980.

[10]刘敬佩.高水材料巷旁充填技术在沿空留巷的应用[J].江西煤炭科技，2019（2）：170-172.

[11]曹王建.綜采工作面沿空留巷巷旁充填体合理宽度研究[J].山西能源学院学报，2019，32（4）：6-8.

[12]张友谊.平煤二矿沿空留巷综合控制技术研究[J].煤炭工程，2012（6）：46-48.