高金龍

（汾西礦業(yè)集團(tuán)中興煤業(yè)公司，山西 交城 030500）

1 工程背景

中興礦1204下工作面屬于近距離煤層開(kāi)采，巷旁充填沿空留巷所在巷道1204下材巷位于采空區(qū)下方，層間距不足4m，上下煤層間開(kāi)采的相互影響較大，下部煤層開(kāi)采前頂板的完整程度已受上部煤層開(kāi)采損傷影響，其上又為開(kāi)采垮落的矸石，導(dǎo)致下部煤層開(kāi)采區(qū)域的頂板結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境發(fā)生變化。從而使下部煤層開(kāi)采與單一煤層開(kāi)采相比出現(xiàn)了許多不同礦山壓力現(xiàn)象。另外，中興礦為高瓦斯礦井，采掘時(shí)瓦斯涌出量較大，而傳統(tǒng)的U型通風(fēng)和瓦斯抽采技術(shù)，經(jīng)常導(dǎo)致工作面瓦斯超限，影響安全生產(chǎn)。由于沿空留巷技術(shù)具有降低巷道掘進(jìn)率、提高煤炭采出率、減小工作面瓦斯含量、實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采的優(yōu)點(diǎn)。因此，以中興煤礦1204下工作面材料巷為工程背景，開(kāi)展研究采空區(qū)下薄層頂板沿空留巷圍巖控制技術(shù)，從而解決中興煤礦的采掘接替、資源浪費(fèi)、薄層頂板支護(hù)、瓦斯超限等難題，實(shí)現(xiàn)礦井的集約化高效生產(chǎn)。

2 數(shù)值模擬模型建立

沿空留巷從開(kāi)始掘進(jìn)至最終報(bào)廢，圍巖變形順次經(jīng)歷巷道掘進(jìn)、沿空留巷和二次采動(dòng)三個(gè)階段。巷道掘進(jìn)階段圍巖變形量較小，與普通巷道掘進(jìn)階段圍巖變形規(guī)律相同。在沿空留巷階段，由于工作面回采的影響，巷道圍巖應(yīng)力再次重新分布，圍巖變形急劇增大。而在二次采動(dòng)階段，不但受到本工作面回采動(dòng)壓影響，同時(shí)受到上部采空區(qū)殘余支承壓力的影響，在二者相互影響下造成巷道圍巖大變形。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

為了詳細(xì)分析沿空留巷巷旁充填墻體對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，根據(jù)中興礦1204下工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，利用FLAC3D進(jìn)行模擬上煤層回采后，本煤層中掘巷、一次回采巷旁充填、二次回采等過(guò)程中應(yīng)力分布情況。所建立的數(shù)值計(jì)算模型長(zhǎng)185m、寬100m、高56m，煤層厚度按3m取，巷道也按實(shí)際尺寸，寬度取4.5m、高取3.0m，將模型底部及四周邊界固定，上部施加載荷以模擬原巖應(yīng)力，所計(jì)算的模型如圖1所示，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)按表1選。

圖1 FLAC3D數(shù)值模擬模型圖

2.1 采場(chǎng)應(yīng)力變化

由于2#煤層已經(jīng)回采完畢，導(dǎo)致其下方2#下煤層卸壓，巷道掘進(jìn)不會(huì)出現(xiàn)2#煤層時(shí)的較高側(cè)向支承壓力，巷道1204下材巷處于應(yīng)力較小的范圍內(nèi)，如圖2所示。而上煤層回采時(shí)留下區(qū)段煤柱處在2#下煤層1204下工作面處出現(xiàn)較大應(yīng)力，約為34MPa。但其距1204下材巷水平距離8m，豎向距離約3m，按照支承壓力在底板巖層中傳播公式計(jì)算和工程實(shí)踐得到，上煤層區(qū)段煤柱對(duì)1204下材巷沒(méi)有影響。

在1204下工作面推進(jìn)，在工作面后方進(jìn)行留巷過(guò)程中，采場(chǎng)的應(yīng)力分布發(fā)生變化，上煤層區(qū)段垮落在本工作面采空區(qū)內(nèi)也形成較大應(yīng)力；充填體也承載上部采空區(qū)矸石重力，但其應(yīng)力較小約為8～10MPa；在工作面?zhèn)认蛑С袎毫^小，但在工作面后方下個(gè)工作面靠近1204下材巷的一側(cè)出現(xiàn)較大的支承壓力約為 22～24MPa。

圖2 1204下工作面回采時(shí)采場(chǎng)應(yīng)力分布

1206下工作面回采時(shí)，整個(gè)采場(chǎng)應(yīng)力分布情況如圖3所示，在1204下工作面采空區(qū)中，主要是上煤層留下的煤柱垮落后形成的高應(yīng)力區(qū)，1204下材巷巷旁充填承載大概10MPa壓力。

圖3 1206下工作面回采時(shí)采場(chǎng)應(yīng)力分布

3 圍巖控制方法及礦壓觀測(cè)

3.1 充填體成型技術(shù)

為使高水速凝材料漿液體在充填時(shí)成型，可采用模板或鋼筋網(wǎng)加充填袋作為成型設(shè)備。相對(duì)于采用模板時(shí)的拆卸復(fù)雜和采高變化適應(yīng)差的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了易于施工的鋼筋網(wǎng)加充填袋成型技術(shù)具有較大的適應(yīng)性，如圖4所示，并且鋼筋網(wǎng)還可以進(jìn)一步加固充填體，約束其側(cè)向變形，對(duì)拉鋼筋采用直徑20mm的螺紋鋼、間排距800×1000mm。

圖4 充填體成型及加固示意圖

3.2 巷內(nèi)基本支護(hù)

圖5 1204下材巷支護(hù)方式

1204下材巷與上方采空區(qū)距離僅有4m，屬于極近距離煤層下行開(kāi)采，受上覆采空區(qū)破斷巖體及本工作面回采動(dòng)壓影響，易發(fā)生冒頂?shù)葟?qiáng)礦壓事故，需要用U型鋼梯形棚并背板將頂板固定，并采用錨桿和短預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，將頂板在預(yù)應(yīng)力作用下形成固定板結(jié)構(gòu)，其巷內(nèi)支護(hù)示意圖如圖5所示。

3.3 巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)

3.3.1 超前加強(qiáng)支護(hù)

為實(shí)現(xiàn)高水充填沿空留巷工作的安全快速施工，緩解巷道在超前回采動(dòng)壓影響下嚴(yán)重變形變形問(wèn)題，超前工作面對(duì)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，采取如下措施：

1）1204下工作面兩端頭均采用3.6m的π型梁配合單體液壓支柱構(gòu)成“一梁三柱”對(duì)梁邁步式進(jìn)行支護(hù)。

2）1204下材巷超前支護(hù)范圍不得少于30m，材料巷超前支護(hù)采用ZT2×3200/15/30型超前支護(hù)支架，巷道兩側(cè)各安裝2組，共4組，長(zhǎng)度為25m，剩余5m采用3.6m的π型梁與單體液壓支柱構(gòu)成“一梁三柱”進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

3.3.2 充填點(diǎn)的臨時(shí)支護(hù)

1）在工作面機(jī)尾頂板鋪設(shè)鐵絲網(wǎng)和采用W鋼帶、φ20×2200mm的螺紋鋼錨桿配合鐵餅壓網(wǎng)維護(hù)。

2）機(jī)尾錨桿施工完成后，拉移排頭支架，在排頭支架尾部距落采空區(qū)側(cè)2700mm使用1m的π型梁+單體液壓支柱構(gòu)成“一梁二柱”進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。

3）在支架尾部使用單體液壓支柱配合π型梁構(gòu)成“一梁三柱”支護(hù)。

3.3.3 工作面后方加強(qiáng)支護(hù)

為保證巷旁充填體成形良好，對(duì)工作面后方150m范圍同樣采用單體支柱配合鉸接頂梁加強(qiáng)支護(hù)，每排布置4根單體液壓支柱，間排距為800×1000mm。

3.3.4 礦壓觀測(cè)

為了觀測(cè)在1204下工作面運(yùn)巷高水充填材料沿空留巷期間圍巖活動(dòng)規(guī)律，考察巷道圍巖變形和充填體的變形，研究支護(hù)參數(shù)的合理性，通過(guò)建立礦壓觀測(cè)站進(jìn)行礦壓觀測(cè)。

由礦壓觀測(cè)結(jié)果可知，離工作面越近，巷道圍巖變形速度及變形量越大，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，圍巖變形速度及變形量又逐漸減小。工作面后方形成的留巷圍巖變形總體可分為3階段，即加速變形期、緩慢變形期及圍巖變形穩(wěn)定期。工作面后方30m～80m范圍內(nèi)巷道圍巖變形較為劇烈，在工作面后方50m附近達(dá)到最大，頂?shù)装遄畲笠平俣葹?.25mm/d，兩幫最大移近速度為4.75mm/d，在工作面后方150m以外巷道圍巖變形速度趨于穩(wěn)定，圍巖平均變形速度在1mm/d以下。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

1）回收煤炭資源效益。

工作面若不采用沿空留巷，則鄰近工作面開(kāi)采至少需留設(shè)25m煤柱護(hù)巷，每米煤柱的煤炭損失量為：25m×2.5m×1.25t/m3=78.125（t/m）。

煤炭的售價(jià)按1200元/噸計(jì)算，則每米留巷可回收煤的經(jīng)濟(jì)效益為：78.125×1200元/噸=93750（元/m）。

設(shè)計(jì)巷道1204工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為950m，則回收煤炭資源量為：78.125 t/m×950m×2=74218.75（噸）。

設(shè)計(jì)巷道1204工作面回收煤炭資源經(jīng)濟(jì)效益為：74218.75t×1200 元 /t=89062500（元）。

2）沿空留巷支護(hù)成本計(jì)算。

結(jié)合中興煤礦現(xiàn)場(chǎng)施工，核算留巷成本為6755元/m，包括人工費(fèi)、材料費(fèi)（高水材料、鋼筋網(wǎng)、充填袋、梯子梁、對(duì)拉鋼筋等）、設(shè)備租賃、維修等費(fèi)用。

3）新掘巷道完全成本。中興煤礦新掘巷道成本綜合成本9000元/m；包括人工費(fèi)、材料費(fèi)、設(shè)備租賃、維修費(fèi)等。

4）沿空留巷產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算。

沿空留巷經(jīng)濟(jì)效益=回收的煤炭資源效益+新掘巷道完全成本-沿空留巷支護(hù)成本。

式中：沿空留巷的成本為6755元/m；新掘巷道的成本為9000元/m。

每米沿空留巷可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益為：93750元/m+9000元/m-6755元/m=95995元/m。

采用沿空留巷之后創(chuàng)造的直接經(jīng)濟(jì)效益為：95995 元 /m×950m=9119.525(萬(wàn)元)。

由此可見(jiàn)，沿空留巷在經(jīng)濟(jì)上是合理的。

5 結(jié) 論

通過(guò)開(kāi)展研究采空區(qū)下薄層頂板沿空留巷圍巖控制技術(shù)，不但解決中興煤礦的采掘接替、資源浪費(fèi)、薄層頂板支護(hù)、瓦斯超限等難題，實(shí)現(xiàn)礦井的集約化高效生產(chǎn)，同時(shí)豐富了沿空留巷圍巖控制技術(shù)實(shí)踐，為類似情況下的沿空留巷提供了一定的參考借鑒意義。