深部开采13203 综采工作面巷旁充填留巷技术研究

赵海涛

（山西省煤炭工业厅综合测试中心，山西 太原 030045）

马道沟矿开采的13#煤层瓦斯含量高，治理耗时长，采掘接替局面紧张。留巷布置方式可降低巷道掘进工程量，提高煤炭生产效率。由于13#煤层具有自然发火倾向，如何降低漏风量、避免煤层及采空区遗煤自燃成为留巷时需重点解决问题[1-3]。马道沟矿通过技术研讨分析，确定采用巷旁充填方式留巷，对留巷技术方案及现场应用效果等进行分析。

1 工程概况

13203 综采工作面埋深580 m，开采13#煤层，煤厚2.6 m，倾角3°～9°，赋存稳定。13#煤层自然发火倾向性为I 类，发火周期38～106 d，煤层瓦斯原始含量9.54 m3/t。13203 综采工作面面长189 m，回采推进距离1850 m，煤层顶底板以细砂岩、泥岩以及粉砂岩等为主，具体见表1。

表1 13#煤顶底板岩性

2 留巷段强化支护方案

对13203 回风巷留巷段围岩进行加强支护，与巷旁充填体共同配合实现留巷段的围岩控制，留巷段应具备较高的支护刚度、预紧力，避免顶板岩层离层。结合13203 回风巷断面、现场施工条件以及顶板岩性，确定用锚杆（索）、钢带、金属网组合方式对围岩进行控制。支护参数：巷帮、顶板锚杆均按照850 mm×850 mm 间排距布置，锚杆规格为Φ18 mm×2400 mm 螺纹钢锚杆，全部挂网，巷帮及顶板锚杆预先施加的预紧力分别控制在60 kN、80 kN 以上；顶板锚索按照1700 mm×2550 mm 间排距布置，规格为Φ17.8 mm×8000 mm 钢绞线，预先施加120 kN 以上预紧力。在实体煤帮以及顶板上均铺设钢带强化支护。具体支护断面如图1。

图1 强化支护断面图（mm）

3 巷旁充填技术方案

3.1 巷旁充填材料

巷旁充填材料会直接影响留巷效果，选用的巷旁充填材料应具备成本低、便于获取、早强支撑强度高、可缩量大等优点。现阶段矿井常用的充填材料依据组成可分为改性材料、凝胶材料以及惰性材料[4-7]。依据马道沟矿现场情况，选用水泥、粉煤灰作为具备凝胶性能的活性混合材料，惰性材料为砂子、石子等，并加入一定量的改性材料（早强剂及减水剂等）。水泥与惰性材料配比1:4，惰性材料中砂子、石子配比2:3，早强剂以及减水剂添加量分别为充填材料使用总量的1.2%、1.5%。

3.2 充填体支护参数

巷旁充填留巷时，采面周期来压期间巷旁充填体会承受较大的采动压力，因此要求采用的巷旁充填体支撑强度可抵抗周期来压。具体巷旁充填体支撑强度P可采用下述公式计算[8]：

式中：k为应力集中系数，取4.0 m；hE为基本顶厚度，取8.0 m；γE为基本顶容重，取25 kN/m3；Lmax为周期来压步距，取16 m；hz为基本顶厚度，取2.91 m；γZ为直接顶容重，取25 kN/m3；x0为煤体极限平衡区范围，取2.1 m；c为留巷段巷宽，取4.2 m；d为巷旁充填体宽度，取值分别为1.5 m、1.8 m、2.0 m、2.3 m 以及2.5 m。

依据采面矿压监测资料以及充填体抗压强度试验结果，确定回风巷留巷段合理充填体宽度为2.3 m。充填体强度越高、抗压强度越大，则充填体在应力作用下破坏程度越小，留巷段顶板及巷帮变形量均有降低，即留巷效果越佳。但是充填体强度越大，则充填成本越高，施工工艺越复杂。综合考虑确定充填体强度为23 MPa。

3.3 充填设备

13203 综采工作面推进速度为4.8 m/d，速度较快，而回风巷巷旁充填材料运输量大，充填工序繁多，若充填过程中出现问题会制约13203 综采工作面正常推进。因此，布置的充填设备、管路等不应给13203 综采工作面正常生产带来影响。根据采面情况将充填设备布置在邻近的13205 综采工作面切眼内，充分利用切断断面大优势，提高充填效果，具体布置如图2。采用的充填泵型号为HBMG30/21-110S，配套的电机功率为110 kW，出口压力最大21 MPa，最远泵送距离超过1200 m，泵送流量最大为30 m3/h，骨料最大直径不应超过40 mm，整机重量为5.17 t。将充填管路沿着13203回风巷底板铺设，选用的充填管为无缝钢管，在接口用“O”型密封圈、10 MPa 管道快速接头连接。

图2 巷旁充填设备布置示意图

回风巷充填段充填模架结构如图3。在采面推进时，作业人员在掩护支架下工作，提高充填留巷安全系数；在采面回采时，紧跟留巷侧端头支架安装单体支柱，强化顶板支护并起到挡矸作用；待后方充填长度达到设计长度时，采用圆木代替单体进行支护。圆木在采空区侧、巷道侧排距分别为1000 mm、800 mm，确保充填体宽度在2300 mm 以上；在圆木内侧铺木板并在木板内侧悬挂防渗帆布，减少充填材料外溢量。

图3 充填段充填模架结构示意图（mm）

3.4 临时支护

在13203 综采工作面回采期间，采面前方25 m 及后方200 m 范围内受采空及采空区顶板垮落影响显著，为此采用单体支柱进行临时支护。支护用单体（DW28-250/110X）、铰接顶梁（型号HDJA-800）组成抬棚，一排3 根单体，单体间距及排距分别为1800 mm、1500 mm。在采面端头位置采用掩护式支架（型号ZZT4500）支护。从掩护式支架后方至采面后方200 m 范围内，用单体、铰接顶梁支护顶板，一排4 根单体，支柱间距及排距分别为1000 mm、1200 mm。

4 充填留巷效果分析

布置测点监测充填留巷段围岩变形，结果如图4。

图4 留巷段围岩变形监测曲线

从图中看出，随测点滞后采面距离增加，留巷段围岩变形量呈现初期变形缓慢、中期变速较快、后期变形稳定特点。具体变形可分为三个阶段：第一阶段为采面后方10 m 范围，此阶段留巷段顶底板及巷帮基本未出现变形；第二阶段为采面后方10～60 m 范围，此阶段留巷段顶底板、巷帮变形速度较快，变形量增加明显，此阶段变形量约占整个阶段变形量的95%以上，顶底板、巷帮变形量分别为291 mm、222 mm；第三阶段为滞后采面60 m 以外区域，此阶段围岩变形速度较慢，变形量逐渐趋于稳定。在13203 回风巷采用充填留巷技术后，留巷段顶底板、两帮最大移近量分别为302 mm、233 mm，围岩变形量整体较小。

5 结语

（1）依据马道沟矿13203 综采工作面现场情况，为提高留巷安全性并降低后续防灭火工作压力，提出采用巷旁充填留巷技术将13203 回风巷保留下来为邻近的13205 综采工作面生产服务。

（2）对留巷段强化支护、充填支护技术方案以及临时支护方案进行设计，通过强化留巷段围岩支护可降低留巷过程中围岩变形量以及顶板离层量，通过采用远距离泵送充填可降低充填留巷对采面生产的影响，通过临时支护可降低采动压力以及采空区顶板垮落下沉等给留巷工作带来的制约。现场应用后，13203 回风巷留巷段顶底板、两帮最大移近量分别为302 mm、233 mm，围岩控制效果显著。