沿空留巷巷旁充填体特性及施工工艺研究.pdf

502020 年第 2 期 沿空留巷巷旁充填体特性及施工工艺研究 毕延强 山西焦煤西山煤电股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052 摘 要 针对西铭矿 42206 工作面皮带巷沿空留巷巷旁充填体特性及配套施工设备进行研究，通过力学分析巷旁充填体 的作用机理，计算得到皮带巷充填体的切顶阻力为 1342kN/m，确定了充填体长度为 3.2m，高度为 2.0m，宽度为 1.6m， 并确定了具体充填施工工艺及配套设备布置。 关键词 充填体 沿空留巷 支护 中图分类号 TD353 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.02.019 Study on Filling Body Characteristics and Construction Technology Beside Gob-side Entry Bi Yan-qiang Ximing Coal Mine, Xishan Coal and Electricity Co., Ltd., Shanxi Coking Coal, Shanxi Taiyuan 030052 Abstract According to the research on the characteristics and supporting construction equipment of the filling body beside the gob side of the skin belt roadway in 42206 working face of Ximing Mine, through the mechanical analysis of the mechanism of the filling body beside the roadway, it is calculated that the cutting resistance of the filling body of the belt roadway is 1342kN/m, the length of the filling body is 3.2m, the height is 2.0m, and the width is 1.6m, and the specific filling construction technology and supporting equipment layout are determined. Key words filling body gob-side entry retaining support 收稿日期 2019-08-29 作者简介 毕延强（1987-），男，汉族，山东济南人，本科， 2014 毕业于太原理工大学采矿工程专业，采煤助理工程师。 沿空留巷技术的应用和发展对煤炭资源的安全 高效开采具有重要的意义，不但可以缓解采掘接 替紧张的局面，使采区半煤岩巷道的掘进率降低 4045，而且可以大幅度的回收煤炭资源，完全 取消区段煤柱，减少煤炭资源的损失。现阶段，大 多数矿井采用高水材料进行巷旁充填，巷旁充填支 护是保证沿空留巷成功的关键措施。因此，需确定 巷旁充填体的特性及参数，进一步研究其作用机理 [1,2]。 现阶段，许多研究学者针对沿空留巷巷旁充填 体特性进行了大量研究。张自政 [3] 建立了沿空留巷 充填区域顶板离层力学模型，提出了锚索锚固区内 外顶板离层分区分阶段控制原则；巩跃斌 [4] 采用 数值模拟和理论分析确定了巷旁充填体最优充填宽 度；吴志刚 [5] 基于采动覆岩结构，给出了不同顶板 情况下充填体载荷的计算公式。由于西铭矿 42206 工作面环境较为复杂，现针对其工作面具体条件分 析沿空留巷充填体承载特性及稳定性，保证巷道安 全稳定。 1 工程概况 西铭矿开采煤层为 2 号煤层，煤层平均厚度为 1.8m，平均倾角为 2，结构较简单，属于稳定全 层可采煤层。42206 工作面皮带巷长 744m，工作面 倾斜长 201m。42206 工作面南面为 42208 采空区， 东面为 42020 和 42008 采空区，北侧为设计 42204 工作面。工作面顶底板情况图见表 1 所示。 表 1 煤层顶底板情况表 顶底板岩层硬度厚度岩层简单描述 中砂岩3.28呈灰白色，以长石、石英为主 砂质页岩2.91.7呈灰色， 裂隙发育， 含泥质， 坚硬。 页岩3.00.3 呈灰黑色，较破碎，裂隙、层理 发育度高。 2 号煤1.21.8呈黑色 细粒砂岩3.92.62呈深灰色，岩质疏松，硬度高 泥岩2.82.76 呈黑灰色，泥岩局部含有页岩， 且含植物化石。 512020 年第 2 期 目前开采的 2煤层回采巷道设计高度 2.6m， 为半煤岩巷掘进，矿井采掘比大、掘进率高，采煤 工作面接替困难。为缓解采掘接替紧张并提高煤炭 资源采出率，根据 42206 工作面煤层、顶底板力学 性质和采、掘等生产地质条件，在 42206 工作面皮 带巷进行高水材料巷旁充填沿空留巷技术研究。 2 沿空留巷巷旁充填体作用机理 在进行工作面沿空留巷时，在工作面后方 1555m 范围内，巷道围岩容易发生剧烈变形，因 此，在此范围内应着重注意充填体所受载荷及变形 情况。沿空留巷充填体目前最常用的是高水材料充 填，需具有足够的支护强度，当顶板下沉破断时， 保证沿空巷道的安全稳定。沿空留巷巷旁充填体的 作用机理有以下两点 （1）巷旁充填体紧贴工作面浇筑，控制沿空 巷道的围岩变形，需具有增阻速度快、早期强度高 的特点，及时切断直接顶，减小充填体所承受的顶 板载荷，并且确保充填体与巷道顶板不发生离层现 象。因此充填体的各项参数取决于工作面具体地质 条件。 （2）当工作面推进时，矿山压力的显现必然 引起工作面顶板的破断下沉，当直接顶破断时，巷 旁充填体应保证顶板破断且充填体不发生破坏，进 而减小充填体上方的支护载荷。顶板破碎矸石充满 采空区时，更上部的顶板岩层在矸石和煤体的支撑 下达到平衡状态，更有利于巷道的稳定，因此，巷 旁充填体的切顶高度与工作面采高和煤层倾角及顶 板岩层的碎胀系数有一定的关系；充填体除了有较 高的强度外，还需具有一定的可缩性，保证与上部 岩层在矸石充满采空区前的下沉有良好的适应性。 3 巷旁充填体力学分析及支护参数选取 由采场矿压理论及前人所做研究可以建立如图 1 所示充填体切顶沿空留巷力学模型，得到沿空留 巷充填体切顶阻力计算公式为 [2] 图 1 沿空留巷力学模型 0 2 000 0000 0 1 coscos 2 sin/ 2 sin 2 LC x qyCB B MNqexcdqqxcd d Pxx dxTqehSMxc h qxcdS αα σα α  ⋅ ⋅     −∫−−⋅−∆−       − ⋅−∆    （1） 式中 q- 直接顶单位长度自重； ML- 基本顶极限弯矩； h- 基本顶岩层厚度； d- 巷旁支护体宽度； c- 巷道宽度； Pq- 切顶阻力； △ SB- 基本顶跨落前 B 端的下沉量； M0-A 端基本顶的残余弯矩； α- 煤层倾角； NC- 在采空区侧受到的剪力； △ SC-AC岩块被切断时 C 端的下沉量； σy- 沿空留巷下侧煤体支承压力； x0- 应力极限平衡区宽度。 0 0 CB xcde SS xcd ∆⋅∆ （2） e-BC岩块长度，其计算式为 2 0 2 100 102 17 m m Lbb excd Lb  ⋅⋅−− −   （3） 式中 Lm- 工作面长度； b- 基本顶来压步距。 根据 42206 工作面生产地质条件，具体地质力 学参数如下42206 工作面长度为 201m，埋深达 到 450m，端头开采厚度平均为 2.0m，来压步距为 25m，直接顶岩层厚度为 1.7m，基本顶岩层厚度 为 8m，抗拉强度为 8MPa，上覆岩层容重取 25 kN/ m3，侧压系数取 0.4，沿空留巷巷道宽度为 3.6m， 巷旁充填体宽度为 1.6m，煤层平均倾角为 2，煤 层与顶底板岩层摩擦角取 25，粘聚力取 2MPa， 煤壁采用支护阻力为 0.12MPa 的锚杆进行支护。 将上述工作面具体参数带入公式（1），可以 计算得到 42206 工作面巷旁充填体应具有的切顶阻 力为 1342kN/m。 522020 年第 2 期 4 高水材料巷旁充填体参数设计 根据类似工作面工程经验，结合 42206 工作面 皮带巷具体地质条件，将高水材料水灰比设计为 1.51。巷旁充填体全部位于采空区内，留巷宽度为 3.6m。工作面采高为 2.0m，每天回采 6.4m，按照 每天两班充填考虑，充填体长度设计为 3.2m，高度 为 2.0m，宽度为 1.6m。 采用对拉锚杆、钢筋网和钢筋梯子梁对充填体 进行加强支护，进一步增强巷旁充填体的抗变形 能力。对拉锚杆间排距 750800mm，最上部的对 拉锚杆距顶板 300mm，最下部的对拉锚杆距底板 200mm。对拉锚杆采用 Φ201800mm 螺纹钢加工， 锚杆两头各滚丝 100mm，钢筋梯子梁采用 Φ14mm 圆钢焊制。充填体外部铺设钢筋网进行加固，钢筋 网参数为 Φ6.0mm 钢筋，钢筋网用双股铁丝连接固 定且两钢筋网片间搭接长度不少于 100mm，网孔小 于等于 100100mm。充填体加固图如图 2 所示。 图 2 充填体加强支护布置图 5 施工工艺 （1）充填区域顶板支护 工作面割煤→端头液压支架铺设顶网→锚杆加 固充填区域顶板→移架→架后单体液压支柱临时支 护充填区域顶板。 （2）构筑充填体 根据推进长度，每天构筑 1 ～ 2 垛充填体清 理浮煤→充填体定位→立模（挂钢筋网、支设单体 液压支柱、吊挂充填袋、穿对拉锚杆）→制浆→充 填→回收单体液压支柱。 （3）清理现场，准备下一循环。 6 充填设备选型及布置 42206 工作面每班的充填量为 10.24m3，每 班的纯充填时间按照 1.5h 计算，每小时需要充填 5.12m3。因此，选择的充填泵能力应在 114L/min 以上。考虑高水材料最大输送距离约 1000m，根 据每百米 0.4MPa 的输送阻力，初步确定选用型号 为 ZBYSB340/18-55 型液压双液注浆泵，额定流量 340L/min，额定压力 18MPa。 选定设备及管路规格要求见表 2 所示。 辅助运输采用单轨吊，泵站布置于西十二单轨 吊巷内的宽 3.5m 以上、长约 20m 的一段巷道或硐 室，布置 2 台双液等量充填泵，5 台电磁启动器，4 台搅拌桶，搅拌桶附近布置料场。如图 3 所示。 表 2 选定的设备及管路规格 注浆泵搅拌桶单浆输送管 规格要求ZBYSB340/18-55 液压双液注浆泵 JDW1000，内径 1.0m，体积 1.0m3， 两对四个搅拌桶 Φ32mm20m 高压胶管，长度根 据泵站与充填体的距离确定 用途为浆液输送提供动力制浆输送单浆液 混合管供水管 规格要求Φ32mm5m 高压胶管，6 根两路，单管供水能力≥ 20m3/h 用途 把两种单浆液混合，并把混合液输送 至充填袋 短时间内注满两个搅拌桶 1- 泵站；2- 充填泵； 3- 搅拌桶；4 - 排水沟；5- 乙料堆料平台； 6- 甲料堆料平台；7- 防爆开关；8- 行车通道 图 3 泵站布置示意图 7 结语 为保证西铭矿 42206 工作面皮带巷沿空留巷的 巷道稳定，针对沿空留巷巷旁充填体特性进行研究， 通过理论分析确定了充填体长度为 3.2m，高度为 2.0m，宽度为 1.6m，并确定了具体充填施工工艺及 配套设备布置。留巷以来充填体完好，保证了下个 采煤工作面的安全使用。 【参考文献】 ［1］ 杨党委 . 厚层软岩顶板预裂充填沿空留巷围岩变 形机理及应用 [D]. 中国矿业大学，2018. ［2］ 郝胜鹏 . 沿空留巷巷旁充填体稳定机理研究 [D]. （下转第 58 页） 582020 年第 2 期 锚索联合支护技术能够有效地控制 1501 运输顺槽 的围岩变形。 【参考文献】 ［1］ 杨志海 . 赵庄二号井回采巷道锚网索支护参数 优 化 研 究 [J]. 能 源 与 环 保，2019（08）197- 201206. 3.4 纵向桁架锚索支护 为了削弱顶板集中应力作用，决定对应力区巷 道顶板施工纵向迈步式锚索桁架支护。 （1）每组桁架锚索支护主要由两根长度为 5.0m、直径为 17.8mm 锚索，两根长度为 1.8m、直 径为 20mm 圆钢托架以及一根双向张拉器组成。 （2）首先沿巷道走向施工两根锚索，锚索间 距为 3.0m，锚索倾角为 75。两根锚索施工在距 巷道左帮 1.5m 处，锚索施工后在锚索外露端分别 安装一根圆钢托架并采用张拉器预紧。 （3）第二组桁架锚索支护施工距巷道右帮 1.5m，两组桁架锚索间距为 2.0m，且第二组桁架锚 索支护与第一组桁架锚索迈步式布置，如图 2 所示， 依次类推直至工作面完全过断层应力区。 图 2 1208 运巷断层应力区联合支护平面示意图 4 结论 （1）1208 运巷通过对顶板永久支护进行优化 后，提高了支护质量及支护强度，在后期应力区掘 进中顶板支护失效率降低至 3 以下。 （2） 对应力区巷道肩角煤柱安装 “L” 型钢带后， 加强了肩角煤柱稳定性，解决了传统围岩支护时肩 角煤柱支护不到位、煤柱预留难度大等技术难题， 提高了巷道成型率。 （3）通过对应力区巷道施工注浆锚棚支护后， 实现了钢棚主动和被动同步支护作用，提高了钢棚 支撑作用力，防止了钢棚变形现象，同时顶板进行 注浆支护对顶板裂隙带进行有效填充、粘接，使顶 板破碎煤体单轴抗压强度提高至 53MPa，保证了顶 板承载作用。 （4）通过安装纵向锚索桁架支护后，削弱了 集中应力对顶板垂直破坏，控制了顶板下沉现象， 后期在掘进过程中顶板最大下沉量控制在 0.15m 以 下，位于断层带处顶板尽管有下沉，但未出现顶板 断裂、冒落现象。 【参考书目】 ［1］ 王金强 . 掘进巷道破碎带顶板支护的实践 [J]. 山 东煤炭科技，2019（03）3-5. ［2］ 王庆杰 . 大断面巷道软岩破碎顶板支护技术应用 [J]. 江西煤炭科技，2017（03）106-108. ［3］ 李程 . 浅析煤矿巷道掘进支护技术存在问题及对 策措施 [J]. 能源技术与管理，2017（03）112- 113. ［4］ 张校春 . 巷道破碎顶板支护技术方法与优化 [J]. 河南科技，2015（08）74-75. ［5］ 毛振文 . 浅谈煤矿井巷维修破碎顶板支护技术优 化 [J]. 采矿技术，2016（01）3891. （上接第 52 页） （上接第 55 页） 中国矿业大学，2017. ［3］ 张自政，柏建彪，王卫军，等 . 沿空留巷充填区 域锚索锚固区内外顶板离层力学分析与工程应用 [J]. 采矿与安全工程学报，2018，35（05）893- 901. ［4］ 巩跃斌，华明国，张超，等 . 高瓦斯综采工作面 沿空留巷充填体宽度优化 [J]. 煤矿安全，2018， 49（07）229-233. ［5］ 吴志刚，褚晓威，石蒙 . 基于覆岩结构的沿空留 巷充填体载荷估算方法 [J]. 煤炭工程，2018，50 （08）89-92. ［2］ 杨景贺 . 高应力软岩巷道变形破坏与控制机理数 值模拟研究 [J]. 煤炭科学技术，2019，47（08） 52-58. ［3］ 田王健 . 特厚煤层采掘对穿巷道支护技术研究 [J]. 煤炭技术，2019，38（08）46-49. ［4］ 赵海峰 . 锚杆条带碹支护技术在动压巷道的应用 研究 [J]. 矿业装备，2019（04）50-51.