巷旁充填沿空留巷技术在综放工作面的应用研究.pdf

152020 年第 6 期 巷旁充填沿空留巷技术在综放工作面的应用研究 王 龙 （山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿，山西 晋城 048000） 摘 要 综采放顶煤沿空留巷采动影响范围大，巷道极易变形失稳，维护困难。本文结合成庄矿 4311 工作面条件，提出 了高水材料“多层位、远距离”充填构筑工艺，针对性地采用了高预应力、高强度锚杆（索）作为巷内基本支护，单体液 压支柱配套铰接顶梁加强支护和高水材料巷旁支护及充填体预应力承载结构，巷旁充填沿空留巷得到有效控制。 关键词 综放 沿空留巷 充填 支护 中图分类号 TD353 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.06.006 Study on the Application of the Technique of Filling along the Empty Roadway by Roadway in Fully Mechanized Caving Face Wang Long （Shanxi Orchid Technology Venture Co., Ltd., Dayang Coal Mine, Shanxi Jincheng 048000） Abstract The influence range of fully mechanized caving roof coal mining along the goaf roadway is large, the roadway is easy to de and lose stability, and the maintenance is difficult. Combined with the condition of the 4311 working face of Chengzhuang Mine, this paper puts forward the construction technology of “multi-layered and long-distance“ filling of high-water material. High pre-stress and high-strength bolt cable are adopted as the basic support in roadway, single hydraulic prop supporting hinged roof beam is strengthened and high-water material roadway side support and filling body prestressed bearing structure are put forward, and the filling along the empty lane is effectively controlled. Key words fully mechanized caving gob side entry retaining filling support 收稿日期 2019-12-16 作者简介 王龙（1988-），汉族，山西忻州人 ，本科学历，东 北大学安全工程专业，现在山西兰花科技创业股份有限公司大阳 煤矿工作，曾在成庄矿实习。 综采放顶煤沿空留巷由于采高较大且需要经历 2 次采动高应力作用 [1-3]，巷道围岩应力集中系数高， 围岩采动损伤严重，松动区和塑性强化区范围明显 增大，巷道极易破坏失稳，造成较大的安全隐患和 维护成本。晋煤集团成庄矿一直在进行沿空留巷技 术探索，但随着矿井现代化、机械化、生产集约程 度的提高，设备功率尺寸的加大，回采巷道断面要 求也越来越高。受两次采动高应力影响，留巷断面 收缩严重，无法满足通风和瓦斯抽采的空间要求， 在支护强度不匹配的情况下甚至会发生变形失稳。 留巷围岩稳定控制对实施无煤柱连续开采以及煤与 瓦斯共采的制约变得愈加突出，合理解决复杂顶板 条件下综放沿空留巷空间维护难题，是解决煤、气 绿色开采、缓解现场生产迫切需要和技术实施难度 较大矛盾的关键所在 [4-5]。 1 工程概况 4311 工作面是成庄矿的综放工作面，采高 6.3m。工作面通风采用“两进一回”的方式，其中 43111、43113 巷为工作面主要进风巷，43112 巷为 回风巷。为满足工作面通风，并实现工作面“Y” 型通风、隔绝采空区瓦斯的需求，决定在 43113 巷 实施沿空留巷工程。 2 巷道支护方式分析 2.1 巷道原有支护方式 43113 工作面运输巷高 3.2m，宽 5m。巷道原来 仅为锚网索支护，局部顶板破碎段用工字钢梁补强 支护。支护主要采用直径为 22mm、长 2.4m 的高强、 延展率较大的锚杆，该锚杆满足沿空留巷围岩产生 大变形的需求。顶板锚杆杆体左旋无纵筋螺纹钢筋 屈服强度大于 500MPa，延伸率达 20，两帮采用 162020 年第 6 期 与顶板相同的锚杆。锚索采用 Ф22mm7400mm 的钢绞线，破断荷载为 337kN。用带 U 形环的特制 梯子梁及金属网护顶，型号为 BHW-250-3-4500-5 的 W 型钢带以及铁丝网护帮。 通过井下观察，由于巷道断面及工作面采高较 大，开采扰动比较剧烈，造成巷道围岩破碎，移近 量大，出现了一些锚杆托盘不贴帮、支护失效以及 部分网兜现象。原支护方案难以承担沿空留巷剧烈 变形的要求。 巷道的底板留有3m厚的底煤， 虽有一定强度， 但仍会发生底鼓大变形。 2.2 巷道补强支护方式 根据 4311 工作面的实际生产地质条件，确定 对巷内顶板和实体煤帮补强支护。方案为在原有 支护的基础上，实体煤帮与顶板每排分别补打两根 锚索，煤帮锚索采用直径为 22mm、长度为 5.3m 的 高强锚索，顶板采用直径为 22mm、长度为 7.4m 的 高强锚索。见图 1。 图 1 巷道补强支护 3 沿空留巷支护方式 （1）充填点临时支护 由于保障充填区域顶板的稳定性是沿空留巷围 岩控制的关键，因此巷旁支护施工前，为保持顶板 的完整与稳定，需要设计高阻力措施加强支护。在 工作面端头支架移动后，采取单体液压支柱配铰 接顶梁对裸露顶板实施支护，单体柱间排距均为 500mm。在吊挂充填袋时，逐步撤掉充填区内的单 体支柱，留出空间吊挂充填袋。 （2）工作面后方加强支护 工作面后方的支护方式主要为单体柱支护，即 在后方 150m 范围内使用单体液压支柱配合铰接顶 梁在巷道内加强支护，单体柱的间排距均为 1.0m， 巷道内设计为每排三根单体支柱。 （3）充填区域顶板维护 沿空留巷工艺中，保障充填体上部顶板稳定是 关键， 如果巷道顶板稳定性差， 极易发生冒顶等事故， 阻碍充填工作的顺利进行。为了保障充填工作的顺 利开展，根据成庄矿 4311 工作面生产地质条件，为 缓解顶板回转下沉，防止顶板在充填材料凝结固化 期间对巷旁支护结构造成的压破坏，应该对需要充 填区域的顶板进行补强支撑，具体支护方案见图 2。 图 2 充填区域顶板支护布置 （4）充填体参数设计 根据工作面生产地质条件，充填体强度无法阻 止前期直接顶的旋转下沉，故采用分层充填承载机 制，充分发挥墙体的“让 - 抗”协调承载性能。其 次，垮落破碎的直接顶无法完全填充采空区，按照 切顶型设计支护方式，割断基本顶需要的支护阻力 为 5.04MPa。故而，封闭袋式充填所需的高水材料 采用 1.51 的水灰比。该水灰比条件下，实验室测 得充填体凝结1d后强度为5.5MPa， 3d强度7.5MPa， 7d 强度 9.2MPa，可以满足切顶所需强度。 充填速率依据工作面的推进速率， 1d充填一次， 充填长度为 3.2m，充填体尺寸宽 高 2m3m。 由于充填体基体为水泥浆料，该材料的抗压强度大， 抗拉强度以及抗变形能力较差，因此，为增大充填 体的稳定性和抗变形能力，设计在充填体内提前预 制部分预应力承载装置。如图 3 所示。 图 3 充填墙体加固示意图 172020 年第 6 期 4 留巷矿压观测效果分析 4.1 充填体变形 巷旁充填墙体变形是其与围岩彼此作用相关性 的体现，墙体自身要历经两次强采动影响，为保证 在下区段工作面回采时能够正常使用，首次开采扰 动的稳定性尤为重要。留巷期间，通过对充填体进 行变形量监测，得出其变形量特征如图 4 所示。 图 4 充填墙体变形特征 由图 4 可知，充填体发生变形的速率两次达到 最大，表明在留巷期间，基本顶沿充填体外又一次 发生破断，形成砌体梁结构后，围岩快速趋于不变。 充填体变形过程可分成 4 个阶段。 第 1 阶段在距离 025m 区域内，充填体构筑 没有承受较大的负荷，但由于充填体自身具有较大 的强度，导致其变形量较小。 第 2 阶 段25110m 范 围 内， 工 作 面 顶 板 活动剧烈，该范围内充填体的形变占其全过程的 84.7。在基本顶结构发生两次破断的过程中，充 填体遭受的负荷增加，变形剧烈，在此阶段内其变 形速度有两个最大值，该阶段充填体的压缩量是留 巷稳定后总变形量的最大组成部分。 第 3 阶段110155m，应力远离工作面后方之 后，围岩采动损伤严重，基本处于运动终止状态。 充填体与顶板的相互作用已基本近似稳定，充填体 的纵向变形速度趋近于零，变形量还会增加，但增 幅明显低于上一阶段。 第 4 阶段155m 以后充填体的形变速率逐渐 缓慢趋于不变，形变速率为 00.3mm/d，充填体的 最大变形量为 289.5mm，墙体的压缩率为 7.3，未 到达巷旁充填体抗压强度，满足二次回采的需要。 4.2 留巷围岩变形 由于围岩与充填墙体存在支护与被支护的关 系，两者是互相制约协调运动的，其变形规律基本 相似，围岩变形特征见图 5。 图 5 顶底板变形特征 （1）留巷巷道两帮，主要是实体煤帮发生变 形。留巷稳定后，两帮移近量最大 661mm，其中 实体煤帮变形达 486.5mm，占巷道两帮变形总量的 73.6。巷道围岩变形基本不变后，实煤体侧顶板 的下沉量为 291.2mm，充填体侧顶板下沉量略大， 达到了 335.9mm。 （2）与充填体变形速率比较，基本顶在第 1 次发生破断时，实体煤帮的承载性能良好。而基本 顶第 2 次发生破断时，实煤体帮的承载性能大大减 小，留巷巷道的变形速率急剧增长，最大值为 37.5 mm/d，远高于充填体的变形速率。 4.3 沿空留巷维护状况 从现场维修情况可知，充填墙体的浇筑效果良 好，预应力承载装置施工完备，充填墙体有效接顶， 提供了较高的承载能力。虽然观察留巷巷道有较明 显的底鼓量，但巷道仍整体稳定，达到了预期目的， 工作面顺利推进。 综上，巷内基本支护（高强锚杆、索联合支护） 与加强支护（单体柱配合铰接顶梁），配合新型高 水材料充填体及其预应力承载加固结构，有效维护 了沿空留巷作业空间，使留巷围岩得到有效控制， 留巷巷道变形量在工程允许范围内。 5 结论 （1）使用高强度锚杆、索支护增大巷道支护强 度，单体液压支柱配套铰接顶梁，同时配合高水材 料充填墙体有效提供了沿空留巷合理的支护强度。 （2）结合成庄矿 4311 综采放顶煤高水材料巷 旁充填沿空留巷矿压观测结果，将采动留巷阶段充 填墙体变形分为四个变形阶段，巷道围岩变形以底 鼓与实体煤帮变形为主，顶底板与两帮最大变形量 分别为 580mm 和 600mm。 （下转第 23 页） 232020 年第 6 期 4 工程应用效果 4.1 水力压裂裂隙扩展效果 经过为期 3d 的现场施工，上覆坚硬顶板水力 致裂成套设备均能正常运行和使用。对 8703 切巷 靠近 16支架孔的压裂情况进行观测，确定水力压 裂裂缝的扩展半径约为 1318m，裂隙扩展程度较 高，水力压裂施工效果较好。16支架孔注水前与 注水后孔内裂缝对比图如图 3 所示。 图 3 16支架孔注水前与注水后孔内裂缝对比图 4.2 顶板冒落效果 在对坚硬顶板采用水力压裂施工工艺后，对工 作面初采期间的顶板冒落情况进行监测。在工作面 推进至 10m 时，巷道直接自工作面中部向两端持续 垮落，工作面推进至 16m 时，基本顶出现垮落，在 6 天内基本顶垮落完成。顶板垮落表现为分层、分 次及时垮落，在整个垮落周期，工作面基本顶初次 来压步距约为 25m，矿压显现强度较低，工作面未 产生剧烈的震动现象，围岩稳定性得到了有效的控 制，实现了安全回采的目标。 5 结语 坚硬顶板强度高、整体性强、随工作面推进难 以及时垮落的特点是造成矿井强烈冲击地压的重要 因素之一。针对 8703 工作面顶板进行了水力压裂 弱化处理，顶板冒放性大大提高，工作面矿压显现 程度明显降低。此外，在对顶板进行水力压裂后， 积聚在煤岩体内部的游离瓦斯得到较好的释放，在 一定程度上避免了瓦斯积聚超限现象。水力压裂技 术在煤峪口煤矿 8703 工作面顶板治理中取得了较 好的应用效果，为矿井处理类似问题提供了一定的 借鉴与参考。 【参考文献】 ［1］ 任建慧 . 水力致裂弱化坚硬顶板井下试验研究 [J]. 内蒙古煤炭经济，2014（09）110140. ［2］ 杨胜利 . 定向水力压裂弱化坚硬顶板技术应用研 究 [J]. 山东煤炭科技，2015（04）163-165. ［3］ 刘宏鹏 . 综放工作面顶板及上覆煤柱水力预裂卸压 技术研究 [J]. 江西煤炭科技，2019（02）82-85. ［4］ 杜江涛 . 水力预裂超前切顶卸压治理巷道动压技 术 [J]. 江西煤炭科技，2019（02）77-7885. ［5］ 冯晋红 . 煤巷切顶护巷技术的应用与实践 [J]. 煤， 2016，25（02）34-35. （上接第 17 页） （3）高水材料充填墙体有效地控制了留巷顶 板活动，留巷空间稳定，巷道变形量小，能够满足 生产需求，为其他复杂顶板条件下综采放顶煤沿空 留巷稳定控制技术的推广提供了一定的理论指导。 【参考文献】 ［1］ 杨朋，华心祝 . 深井大断面沿空留巷底板裂隙分 形特征动态演化规律试验研究 [J]. 岩土力学， 2017，38（01）351-358. ［2］ 余明高，李龙飞，褚廷湘，等 . 瓦斯抽采下沿空 留巷工作面采空区漏风机制研究 [J]. 安全与环境 学报，2016，16（02）108-113. ［3］ 康红普，姜鹏飞，蔡嘉芳 . 锚杆支护应力场测试 与 分 析 [J]. 煤 炭 学 报，2014，39（08）1521- 1529. ［4］ 何团，黄志增，李春睿，等 . 特厚煤层综放工作 面侧向煤体应力时空演化特征 [J]. 采矿与安全工 程学报，2018，35（01）100-105. ［5］ 和树栋，张轶，刘威 . 沿空留巷技术研究现状与 展望 [J]. 现代矿业，2016，3（03）6-10. （上接第 20 页） ［2］ 谭志文 . 孤岛综放面矿压规律及小煤柱回采巷道 围岩控制技术研究 [D]. 中国矿业大学，2016. ［3］ 窦林名，何烨，张卫东 . 孤岛工作面冲击矿压危 险及其控制 [J]. 岩石力学与工程学报，2003，22 （11）1866-1869. ［4］ 何烨，才庆祥，窦林名，等 . 济宁二号矿孤岛 工作面冲击矿压危险及其控制 [J]. 岩土力学， 2003，22（S2）593-596. ［5］ 曹安业，井广成，窦林名，等 . 孤岛面开采强矿 震异常区的被动声波探测技术及应用 [J]. 采矿与 安全工程学报，2015（01）20-27. ［6］ 李振雷，窦林名，王桂峰，等 . 坚硬顶板孤岛煤 柱工作面冲击特征及机制分析 [J]. 采矿与安全工 程学报，2014，31（04）519-524.