高水材料巷旁充填沿空留巷技术在屯兰矿应用研究.pdf

612023 年第 9 期刘 蔷：高水材料巷旁充填沿空留巷技术在屯兰矿应用研究收稿日期 2023-01-01作者简介 刘蔷（1990），男，山西昔阳县人，2011 年毕业于毕节学院煤矿开采技术专业，采煤助理工程师，现就职于山西焦煤集团有限责任公司屯兰煤矿，从事矿山安全管理、开采技术、项目管理工作。高水材料巷旁充填沿空留巷技术在屯兰矿应用研究刘 蔷（山西焦煤集团有限责任公司屯兰煤矿，山西 太原 030206）摘 要 为解决屯兰矿采用混凝土沿空留巷存在的效率低、成本高、支护效果差等问题，引进高水速凝材料巷旁充填沿空留巷工艺技术，通过理论计算确定巷旁充填体宽度 2.2 m，设计充填体补强支护、充填区域顶板支护、巷内补强支护、临时支护方案。应用表明，巷道表面及充填体变形在可控范围内，留巷支护效果良好，该工艺可在屯兰矿推广使用。关键词 沿空；高水材料；充填中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.09.020Research and Application of High Water Material Roadside Filling and Retaining Roadway Along Goaf Technology in Tunlan MineLiu Qiang(Shanxi Coking Coal Group Co.,Ltd.Tunlan Coal Mine,Shanxi Taiyuan 030206)Abstract:In order to solve the existing problems of low efficiency,high cost,and poor support effect caused by the use of concrete retaining roadway along goaf in Tunlan Mine,the technology of roadside filling retaining roadway along goaf with high water and quick setting material is introduced.The width of the filling body next to the roadway is determined by theoretical calculation to be 2.2 m,and the filling body reinforcement support,filling area roof support,inner roadway reinforcement support,and temporary support schemes are designed.The application shows that the deformation of the roadway surface and filling body is within a controllable range,and the retaining roadway support effect is good.This technology can be promoted and used in Tunlan Mine.Key words:along goaf;high water material;filling刘 蔷：高水材料巷旁充填沿空留巷技术在屯兰矿应用研究1 工程概况屯兰矿 12509 工作面位于+750 m 水平南五盘区右翼，联合开采的2#、3#煤岩总厚度为 4.104.70 m，平均厚 4.39 m，煤层有益厚度平均 3.59 m。其中 2#煤厚2.603.20 m，平均2.96 m；3#煤厚0.400.70 m，平均 0.63 m；2#煤与 3#煤之间夹一层砂质泥岩，厚0.601.00 m，平均 0.80 m。工作面煤层整体呈向斜构造，倾斜长度 219 m，煤层最大倾角 8，最小倾角3，平均5。工作面北邻12507工作面采空区，南邻 12511 工作面，东邻土地沟断层，西接南五盘区大巷，如图1所示，设皮带顺槽、轨道顺槽、切眼、瓦斯治理巷、措施巷五条巷道，所有巷道均沿 2#煤顶板布置。煤层顶底板岩层特征见表 1。以往屯兰矿采用的混凝土沿空留巷技术存在耗材量大、井下用工多、速度慢、劳动环境恶劣等问题，需研究更为高效的沿空留巷工艺。以 12509 工作面为工程背景，展开高水速凝材料巷旁充填沿空留巷工艺的设计研究与应用试验。图 1 12509 工作面采掘工程平面图622023 年第 9 期表 1 煤层顶底板情况表顶板情况岩石名称厚度/m岩石特征岩石力学性质抗压强度/MPa普氏硬度基本顶砂质泥岩4.07深灰色砂质泥岩，含大量植物化石，为根土岩36.94直接顶 细砂岩2.002.50黑色细砂岩，具缓波状层理64.86伪 顶泥 岩0.400.60灰色泥岩，易破碎36.93直接底砂质泥岩0.72深灰色砂质泥岩36.94基本底 细砂岩4.57灰色细砂岩，含植物化石碎片64.862 巷旁支护体设计 进行沿空留巷巷旁支护体参数设计时，考虑顶板岩层的极限状态，通过简化得到弹性基础梁模型如图 2（a）1。（a）沿空留巷顶板受力模型 （b）高水材料强度与水灰比关系图 2 巷旁支护原理及高水速凝材料特性岩块 AB、BC 受力平衡，则可得：NB-qcose-NC=0 （1）TB=TC+qsine （2）扭矩为 0，得：()()2LCCCC1sincos22=hMThSqeSqeNe+（3）AB 岩块扭矩为 0 可得：()()()()()()()()02LC0000y0q0CB00B1coscosd2/2sinsin2xMNqexcdqqxcdxxxdPxchTqehSMqxcdS+=+（4）式中：为工作面倾斜角度；c 为巷道留巷支护后宽度；d 为巷旁充填体宽度；h 为基本顶厚度；Pq为巷旁支护体的切顶阻力；ML为基本顶可承受的极限弯矩；M0为基本顶由A点断裂后的残余弯矩；q为岩层容重；q0为直接顶自重；SB为B点下沉量。12509 工作面相关参数如下：采高 4.4 m，倾斜长度219 m，周期来压步距 22 m，平均埋深 330 m，基本顶平均厚度 4.1 m，直接顶平均厚度 2.3 m，留巷后巷道宽度 4.5 m，底板岩层平均容重 24.5 kN/m3，基本顶抗拉强度 1.7 MPa，侧压系数为 0.4，煤层倾角按平均 5考虑，B 点下沉量 300 mm。将上述参数代入式（4），得到 12509 皮带顺槽巷旁充填体强度不应小于 11.3 MN/m。根据理论计算结果可知，12509 皮带顺槽沿空留巷期间巷旁充填体提供的支护阻力应不小于 11.3 MN/m。屯兰矿拟采用新型高水速凝材料，该种材料 7 d 龄期时单轴抗压强度与其水灰比变化曲线如图 2（b）所示。结合以往的工程实践2-4，设计所用高水材料水灰比为 1.5:1，充填体抗压强度 11 MPa，安全系数取 2.0，得到充填体宽度理论计算为2.05 m。设计为巷旁充填体宽度 2.2 m 符合理论计算要求。3 沿空留巷支护设计3.1 巷旁充填体参数设计12509皮带顺槽掘进断面尺寸宽、高=4.5 m、3.5 m，结合理论分析计算结果设计巷旁充填体规格长、宽、高=3.5 m、2.2 m、3.5 m。为保障巷旁充填体强度及稳定性，采用直径 20 mm、长度 2300 mm 的螺纹钢制作对拉锚杆进行加固，充填体表铺设用直径为 6.5 mm 的钢筋加工而成的钢筋网。如图 3。3.2 留巷侧端头及铺网支护为防止巷旁充填体施工阶段顶板冒落，保持充填区域内顶板的完整性及减少充填成本，提高沿空632023 年第 9 期刘 蔷：高水材料巷旁充填沿空留巷技术在屯兰矿应用研究巷道顶板的稳定性，结合屯兰矿实际生产地质条件，具体方案如下：割煤后在端头 23 架液压支架架前铺柔性网，顶板施工长度 2.4 m 的锚杆、长度 6.3 m的锚索，布置排距 850 mm，然后移架，在采空区边缘与待充填位置打设临时单体，配合铰接顶梁及铁鞋，顶梁沿工作面推进方向。充填体上方顶板加强支护如图 4。图 3 巷旁充填体补强支护示意图（mm）（a）俯视图 （b）剖面图图 4 充填体顶板支护示意图（mm）3.3 巷内加强支护方案设计12509 皮带顺槽掘巷时未考虑后期留巷，支护强度相对较低，因此在留巷期间在原支护基础上进行补强支护，煤柱帮补强锚索型号 21.6 mm5000 mm，煤 柱 帮 补 强 锚 杆 采 用 20 mmL2400 mm 螺纹钢锚杆，顶板补强锚索型号21.6 mm6300 mm。留巷阶段补强支护及原有支护方案如图 5。（a）支护断面 （b）顶板展开图 （c）煤柱帮展开图图 5 巷道掘巷支护及补强支护示意图（mm）3.4 留巷后段加强支护根据屯兰矿沿空留巷工程实践阶段大量观测结果表明，滞后本回采工作面 80 m 以上时，采空区顶板活动强度明显减弱，而与工作面距离小于 80 m 范围内的采空区顶板活动较强烈，因此设计中在工作面后方 80 m 范围内的 12509 皮带顺槽采用单体液压支柱加强支护，每排布置 3 根支柱，排距为900 mm，间距 1200 mm，型钢顶梁与巷道轴线方向垂直布置。4 应用效果监测在留巷阶段设置综合矿压监测站，定期监测沿空巷道的矿压显现特征。以 12509 皮带顺槽留巷第一个测点监测数据为基础，通过 Excel 软件和Origin 软件处理后得到巷道表面变形量及充填体变形量变化趋势线如图 6。分析可知，在 12509 回采工作面后方 2060 m 范围内，采空区顶板垮落面积快速增大，顶板活动较剧烈，沿空巷道内围岩变形量开始迅速增大，巷旁充填变形量也显著增大；滞642023 年第 9 期66.2%，围岩变形得到了有效控制。5 结论1）根据钻孔窥视结果，1 号测点顶板围岩破碎及裂隙发育主要集中在 06.5 m 范围之内，2 号测点主要在 06.7 m 范围内，3 号测点分布主要集中在 08 m 范围之内。为保证锚索能够打设到稳定锚固层之内并达到有效的控制效果，顶板锚索选用8300 mm 的锚索，顶板两端靠近煤帮处锚杆分别向外侧倾斜 15。2）由于煤柱帮变形较为严重，为更好地控制住煤柱帮移近量，煤柱帮锚索分别向顶板、底板倾斜 30，锚固长度不小于 2000 mm，确保锚索锚固稳定，同时将两根锚索用槽钢钢梁连接。3）优化后的支护方案，有效控制了巷道两帮及顶板的位移量，有效降低了巷道表面位移的幅度，达到预期的支护效果。【参考文献】1 钟阳，邵力.多次动压影响巷道底鼓变形机理及控制技术 J.内蒙古煤炭经济，2014（11）：121-122.2 王国玮.钻孔窥视仪在顶板离层鉴定中的应用 J.云南化工，2022，49（06）：64-66.3 贾超，索王博.基于钻孔窥视的煤巷锚杆支护优化技术 J.陕西煤炭，2022，41（05）：58-62.4 赵育云，张兴文，王斌，等.基于钻孔窥视法与声波法的巷道松动圈测定 J.陕西煤炭，2021，40（06）：48-54.5 付航航，李可，徐传玉，等.小庄煤矿巷道围岩松动圈裂隙结构特征分析 J.陕西煤炭，2022，41（02）：82-86.（上接第 60 页）后回采工作面 6090 m 范围内，此时采空区顶板基本垮落完毕，巷道表面及巷旁充填体变形速度逐渐减小；滞后回采工作面 90 m 以上时，巷道表面及充填体变形量基本稳定，顶底板移近量 160 mm，两帮移近量 210 mm，巷旁充填体横向变形量 235 mm，纵向变形量 190 mm。巷道表面变形量及充填体变形量始终保持在可控范围内，可满足服务于下区段回采工作面的断面需求，留巷支护效果良好。（a）巷道表面变形量（b）充填体变形量图 6 矿压监测结果5 结论为提高屯兰矿沿空留巷工艺效率，设计引入高水速凝材料巷旁充填工艺来替代混凝土沿空留巷工艺。以 12509 皮带顺槽留巷为工程背景，通过理论分析给出巷旁支护体强度不应小于 11.3 MN/m，设计巷旁充填体宽度 2.2 m；结合巷道原有支护方案及生产地质条件设计留巷阶段巷旁充填体补强支护、充填体顶板支护、巷内补强支护、留巷临时支护方案。应用监测表明，巷道表面及巷旁支护体最大变形量：顶底板移近量 160 mm，两帮移近量为 210 mm，巷旁充填体横向变形量为 235 mm，纵向变形量为 190 mm，留巷支护效果良好，可进行高水速凝材料巷旁充填沿空留巷开采工艺的推广使用。【参考文献】1 刘兵晨，秦建飞，许向前.综放工作面沿空留巷支护结构优化J.矿业安全与环保，2022，49（04）：187-193.2 徐青云，宁掌玄，朱润生，等.综放工作面充填过空巷顶板失稳机理及控顶研究 J.采矿与安全工程学报，2019，36（03）：505-512.3 丁涛.高水速凝材料隔离墙在矿井回采工作面中的应用 J.煤矿现代化，2018（03）：37-38+42.4 梁华杰，王丽，赵忠义.高水速凝材料在破碎围岩巷道支护中的应用研究 J.煤炭技术，2017，36（07）：37-39.