大采深工作面超高水材料充填开采围岩变形规律研究

毕玉明

（冀中能源股份有限公司 邢东矿，河北 邢台 054000）

0 引 言

超高水材料充填技术是针对有效解决工作面回采后顶底板及两帮垮塌或变形的一项新技术[1-5]，主要原理是采用超高水材料，按一定配比混合成2 种以水为主要载体的浆体，利用其高流动性，在进入采空区前进行混合，利用充填袋，使混合浆体在一定时间内胶结、凝固，达到设计强度，以实现对采空区的充填[6-7]，起到控制围岩垮塌、变形，减少地表沉降的目的[8-10]。该技术已在山西、河北和陕西部分煤矿得到了初步推广和应用。本文以邯邢矿区邢东矿为例[11]，对比了超高水填充工作面和非填充工作面的围岩变形情况，总结变形规律，检验超高水填充对回采工作面的围岩控制效果。

1 工作面概况

邢东矿1126 工作面是一水平一采区第6 个生产工作面，开采山西组2 号煤，煤层埋深800 ～870 m，煤层厚度4.43～4.80 m。工作面位于一水平轨道巷以东，2223 回采工作面以西，南侧200 m为F23 断层，北侧40 m 为DF10 断层。工作面沿煤层倾向布置，倾向长约490 m，走向长约70 m，面积约26 467 m2，工作面可圈出煤炭储量20.5万t。工作面煤层顶板和底板岩性以细、粉砂岩为主。特征见表1。

表1 煤层顶底板岩性able 1 Lithology of coal seam roof and floor

2 充填开采技术方案

井田区域内煤层赋存深度大，煤层底板承受地压大。在矿井一水平各工作面开采过程中，采线前方，两巷围岩变形剧烈、地表下沉严重，给矿井安全生产和地表环境带来巨大影响。为减少围岩变形，减小地表下沉，该矿对1126 工作面采用采空区混合式充填方法[12]进行充填开采。具体施工工艺为，在采煤机推采三刀煤后，在工作面后支架下方形成2.1 m 范围的等待充填区域，在该区域通过5个隔板支架将待充填区等分为个4 充填空间，在各充填空间内悬挂规格为17 m×2.3 m×5.2 m的充填袋，并向袋中注入超高水充填材料，实现对采空区顶板的充填支护，超高水材料充填示意如图1 所示。

图1 超高水材料充填示意Fig. 1 Ultra high water material filling

3 围岩变形研究

3.1 围岩变形观测方案

自工作面开始回采至回采结束，在工作面两巷每隔一定距离布设矿压观测站，对巷道围岩的变形情况进行连续实时观测，记录顶板沉降、两帮收敛和底鼓数据。依据两巷实际情况，在工作面运输巷和运料巷各布设5 个矿压观测站，采用DB- II 型巷道断面收敛仪连续采集巷道两帮与顶底板位移量（图2）。

图2 工作面两巷测站布置示意Fig. 2 Layout of surveying stations in two roadways of working face

3.2 观测数据的整理与分析

3.2.1 运料巷收敛观测

经过385 d 的持续观测，运料巷两帮收敛均值为109 mm，顶板沉降均值为67.4 mm，底臌上升均值为169 mm。变形速度两帮0.28 mm/d，顶板0.17 mm/ d，底臌0.43 mm/ d。随着工作面推采时间的增加，工作面运料巷道围岩收缩位移逐渐增大，距采线越近的观测站观测到的巷道围岩收缩量越大。同时，由于f26- 4 断层的存在，距离采线较远的一观测站和二观测站的位移量较距采线较近的三测站要有所增大。运料巷顶底板及两帮位移变化趋势如图3～图4 所示。

图3 运料巷顶底板位移变化趋势Fig. 3 Displacement variation trend of roof and floor of transportation roadway

图4 运料巷两帮位移变化趋势Fig. 4 Displacement variation trend of two sides of transportation roadway

3.2.2 运输巷收敛观测

根据对观测数据的分析，运输巷两帮收敛均值为221 mm，收敛速度为0.6 mm/d；顶板沉降均值为114 mm，沉降速度为0.3 mm/d，底臌均值为135 mm，上升速度为0.36 mm/d。由于f26- 4 断层的存在，一观测站和二观测站的巷道围岩收缩量较其它观测站略有增加。运输巷顶底板及两帮位移变化趋势如图5～图6 所示。

图5 运输巷顶底板位移变化趋势Fig. 5 Displacement trend of roof and floor of transportation roadway

图6 运输巷两帮位移变化趋势Fig. 6 Displacement variation trend of two sides of transportation roadway

3.3 与非充填工作面的变形数据对比分析

邢东矿2122 和2223 是非充填开采工作面，煤层赋存条件与1126 工作面相似。为进一步分析、对比超高水充填开采工作面和非充填开采工作面两巷围岩的矿压显现规律，在2122 和2223 工作面回采过程中，在2 个工作面运料巷分别布设了3 个观测站对其进行了为期95 d 和340 d 的连续定期观测，并根据观测数据，分别绘制出2122 和2223 工作面运料巷两帮及顶底板位移变化趋势图（图7 ～图10），充填开采与非充填开采顶底板和两帮位移对比见表2。

表2 充填开采与非充填开采顶底板和两帮位移对比Table 2 Comparison of displacement of roof, floor and two sides between filling mining and non- filling mining

图7 2122 运料巷顶底板位移变化趋势Fig. 7 Displacement variation trend of roof and floor of 2122 roadway

图10 2223 运输巷顶底板位移变化趋势Fig. 10 Displacement trend of roof and floor of 2223 transportation roadway

（1） 充填开采工作面两巷顶底板的最大位移值364 mm，最小值为175 mm，平均位移243.1 mm。从趋势图可以看出，各观测站的位移随推采时间的增加而逐渐趋稳，未出现明显的周期性位移增大，说明充填开采工作面的周期性来压不明显或者是没有；非充填开采工作面两巷顶底板位移最大值1 482 mm，最小值为601 mm，两值差高达881 mm。如此，在趋势图中就形成了周期性陡峭折线。从观测数据可以看出，采用超高水充填开采顶底板的最大和最小位移量较非充填开采分别减少了1 118 mm 和426 mm。表明超高水充填开采对控制顶底板活动和周期性来压具有良好效果。

图8 2122 运料巷两帮位移变化趋势Fig. 8 Displacement variation trend of two sides of 2122 transportation roadway

图9 2223 运输巷两帮位移变化趋势Fig. 9 Displacement variation trend of two sides of 2223 transportation roadway

（2） 充填开采工作面巷道两帮的最大位移值404 mm，最小值为36 mm，平均位移243.1 mm。从趋势图可以看出各观测站的位移随推采时间的增加而逐渐趋稳，未出现明显的周期性位移增大，这就可以说明充填开采工作面的周期性来压不明显或者是没有；非充填开采工作面巷道两帮位移最大值1 081 mm， 最小值为345.22 mm， 两值差高达735.78 mm。如此，在趋势图中就形成了周期性陡峭折线。从观测数据可以看出，采用超高水充填开采工作面巷道两帮的最大和最小位移量较非充填开采分别减少了677 mm 和309 mm。表明超高水充填开采对控制巷道两帮活动及工作面周期来压具有良好效果。

4 结 语

较非充填开采工作面，在超高水材料充填开采条件下，将超高水材料及时注入工作面推采后形成的采空区，模拟煤层的原岩状态，使采线前方煤体、充填体与煤层顶板形成类似简支梁的承载结构，上覆岩层因充填体的及时支撑而减少下沉，从而降低工作面两巷围岩变形程度，有效控制工作面周期性来压。