煤矿高浓度胶结充填开采沿空留巷技术研究

杨宝贵 杨 捷 彭杨皓

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083)

随着近年来我国巷道支护事业的迅猛发展，沿空留巷技术被广泛应用。沿空留巷具有降低矿井巷道掘进率、缓解采掘接替矛盾，提高资源采出率，延长矿井服务年限等一系列优越性，是煤矿开采技术中的一项重大改革［1-4］。煤矿充填开采由于解放三下压煤，控制地表沉降而成为未来煤矿开采的发展趋势。研究表明［5-8］:采空区全部充填开采后，矿山压力显现较垮落法开采时弱小很多，工作面超前支承压力影响范围、应力集中系数、支护阻力等均减小。这对沿空留巷巷道的支护是极为有利的，而且在充填开采基础上进行沿空留巷，将进一步提高资源利用率，实现地下零煤柱，矿井“绿色开采”。本研究就以山西焦煤汾西矿业(集团)有限责任公司新阳煤矿10203 充填开采工作面为工程实例，通过数值模拟分析了充填后沿空留巷巷道的矿山压力显现特点，探讨了在采空区实施煤矿高浓度胶结充填技术［9］后，如何实现采空区边缘沿空留巷，保留上本区段运输巷道为下一区段使用，并且将该技术运用到了新阳煤矿生产实践中。

1 工程概况

新阳煤矿10203 工作面开采山西组2 号煤层，该工作面平均开采深度202 m，煤层平均倾角6°，采厚2.2 m，上覆基岩厚194 m，煤层走向长569.7 m，倾向为100 m，工作面顶底板情况如表1 所示。10203 充填工作面使用高浓度胶结充填，充填浆体是由水泥、粉煤灰、矸石和水以一定的比例配制的，充填料浆的浓度为79%。该充填料浆4 h 后的抗压强度即可达到0.19 MPa，1 d 后的抗压强度达0.68 MPa，7 d 后达3.15 MPa，28 d 后抗压强度达5.2 MPa［10］。

表1 2#煤层顶底板特征Table 1 Property of 2# coal roof and floor

10203 工作面与普通综采工作面布置基本相似。回风巷布置在工作面沿倾斜方向的上方，运输巷布置在其下方。在运输巷内实现沿空留巷，保留此巷道作为下一工作面的回风巷。工作面两巷设计断面近似为矩形，正常段净宽×净高=3.4 m×2.2 m。原巷道顶板采用螺纹钢锚杆、锚索与金属菱形网联合支护，巷道两帮为铁锚杆与金属菱形网联合支护。具体支护如图1 所示。

图1 巷道锚、网、索联合支护断面示意Fig.1 Schematic diagram of combined support section of anchor rod，metal mesh and anchor rope

2 沿空留巷数值模拟

以新阳煤矿为工程实例进行数值模拟分析。为了对比充填开采与垮落法开采下的沿空留巷巷道矿山压力显现特点，进一步了解充填后沿空留设巷道的变形规律，先模拟垮落法开采时沿空留巷巷道应力分布。

2.1 模型参数的选取及建立

本数值模拟使用FLAC3D软件，选用摩尔－库伦屈服准则［11-12］。模型中假设同一岩层为性质均一的弹塑性体，倾斜工作面为水平工作面，巷道断面为规则的矩形。

按照表2 的煤层顶底板岩层分布状况将模型共划分为10 层，采高设定为2.2 m。工作面实际开采长度为走向569.7 m、倾向100 m。根据模拟研究的目的以及为避免边界效应的影响，将巷道布置于模型中部，设计模型尺寸为150 m× 200 m × 200 m，走向、倾向和垂直方向根据模拟目的不同划分不同的网格，共划分出106 896个单元，107 659个节点。

表2 10203 工作面煤层顶底板岩石力学性质Table 2 Rock properties of 10203 working face coal roof and floor

固定模型的左、右、前、后和下边界，设置上边界为自由边界。上覆岩层在自重应力下达到原始应力平衡后就开始模拟垮落法开挖，之后再进行充填法开挖。

2.2 数值模拟结果分析

数值模拟过程中，在沿空留巷巷道的顶、底板以及巷道两帮的中线附近，沿煤层走向方向各布置若干监测点，通过剖面以及监测点数值的变化可以清楚地看到巷道顶板应力以及位移变化。计算完成后，分别输出开采后的应力分布、位移分布图，如图2 ～图5所示。

图2 垮落法开采垂直应力Fig.2 Vertical stress of the caving mining method

图3 充填法开采垂直应力Fig.3 Vertical stress of the filling mining method

由图2、图3 可以看出，煤层开采之后，其上覆岩层与底板岩层的初始应力平衡状态遭到破坏，应力重新分配，达到新的平衡。充填之后的采空区周围各项应力均比垮落法开采时要小，这主要是因为充填体及时充填而且具有一定的强度，能够承担上覆岩层的重量，这样既减小了上覆岩层移动的空间，而且也使采场围岩支护结构的承载能力得到了保持。煤层开采后主要的应力增值区集中在巷道的两帮，充填开采则降低了巷道的应力集中。监测数据显示:垮落法开采时巷道顶板受到的垂直应力约为5.2 MPa，巷道围岩最大应力为10 MPa;充填后巷道顶板的垂直应力降为2.5 MPa，巷道围岩最大应力减小至5.9 MPa，垂直应力和巷道围岩最大应力均减小至垮落法时的一半左右。

图4、图5 分别为垮落法和充填法开采下的上覆岩层垂直方向的位移分布图，通过监测点绘制的位移曲线如图6、图7 所示。

图4 垮落法开采上覆岩层垂直位移Fig.4 Vertical displacement of the overlying strata in caving method

图5 充填法开采上覆岩层垂直位移Fig.5 Vertical displacement of the overlying strata in filling method

图6 沿空留巷巷道顶底板移近量Fig.6 Variation of the convergence of gob-side entry retaining roadway roof

由图6 可以看出:不同开采方式下的巷道顶底板下沉量曲线形状基本上保持一致，随着距煤壁距离的增大，巷道顶板下沉量逐渐增加，当距离增大到一定程度时，顶板的下沉量基本保持在一个平衡状态。不同开采方式下，巷道顶底板均在超前工作面20 m 处开始下沉。在距离工作面煤壁20 ～45 m 的范围内，顶板下沉量下沉速度是最快的，充填开采时下沉速度约为2.4 mm/m，垮落法开采的下沉速度高达7.0 mm/m。距工作面煤壁距离超过45 m 后，顶板下沉量的改变就逐渐变小，45 m 处是巷道顶底板下沉曲线的一个拐点。距离工作面60 m 后，顶板下沉量基本保持不变，不再发生下沉。垮落法开采时巷道顶底板最大下沉量为507 mm，采用高浓度胶结充填以后，沿空留设巷道顶底板最大下沉值减小到135 mm。

图7 显示了不同开采条件下巷道两帮的移动变形情况。

图7 沿空留巷巷道两帮移近量Fig.7 Variation of the convergence of two sides of gob-side entry retaining roadway

在超前工作面20 m 处，巷道两帮就发生移动，在距工作面60 m 处，巷道两帮移近量变缓。垮落法开采时，巷道两帮移近量在超前煤壁20 m 处就以较快的速率增长直至距工作面约50 m 处，50 m 后的范围内，两帮移近量增长缓慢，巷道弹性应变能释放完毕。充填法下的巷道两帮移近量也是在超前煤壁20 m 处开始，在距煤壁15 ～60 m，变形速率显著增加，认为是因为充填体强度较小，对上覆岩层重量承载能力有限等原因造成的，故在实际工程实施中，此范围应该加强支护。60 m 后，巷道两帮移近量变缓，最终基本稳定在了90 mm。

图6、图7 表明，充填开采后沿空留巷巷道围岩变形较小，其巷道变形率仅为8%左右，较垮落法时的20%相比减小了12 个百分点。

3 采空区全部充填沿空留巷技术

经数值模拟分析可知，充填开采后沿空留巷巷道围岩应力、巷道变形均减小，矿山压力显现显著变弱。但是考虑到采空区沿空留巷巷道要经历2 次采动影响，即本工作面的1 次采动影响和下一工作面的2 次采动影响［13-14］;巷道使用周期较长，而且2 次采动对巷道变形影响较大。因此，为一次性维护好巷道需要对其进行必要的支护。

3.1 临时支护

巷道受本工作面采动影响时，围岩变形剧烈，但仅仅发生在工作面前后方的某一范围之间。随着工作面的推进，其影响逐渐减弱。因此只需对该范围内的巷道进行适时支护即可。施工过程中，10203 工作面使用单体液压支柱配合配铰接顶实现临时支护，在工作面上、下出口往外采用单体支柱配铰接顶梁打超前支护各2 排，间距为1.5 m，排距为1.7 m，长度不少于20 m。新阳矿使用的充填浆体4 h 后的抗压强度为0.19 MPa，1 d 后的抗压强度达0.68 MPa［14］，初凝强度较小，不能够马上达到最终强度。同时数值模拟结果也表明，应该在工作面后方沿空巷道内加强支护。于是本工作面采用2 排单体支柱配铰接顶梁支护顶板，单体柱间距1.5 m，排距1.5 m，其中1 排要靠近充填体支设，待支护长度达到60 m 后，随工作面推进而向前移柱。

3.2 永久支护

考虑到沿空留巷巷道服务时间长，要经受2 次采动影响，为了保证留巷一次性成功，避免巷道顶板离层两帮片帮等事故，在充填的同时，对原巷道顶板进行补强支护。本工作面采取的补强措施为:采用锚索梁进行加强支护，锚索梁使用16#钢槽，在钢槽上均匀打3 根锚索加强支护，间距为0.8 m，排距为1.5 m，具体布置如图8 所示。

4 现场观测

通过对10203 工作面已完成的沿空留巷巷道现场观测，发现巷道顶底板以及两帮移近量均在数值模拟范围之内，而且巷道顶板维护完整，没有大的冒落，巷道煤壁侧没有发生片帮，这既是因为充填体承担了上覆岩层部分重力，缓解了巷道应力集中，也是由于锚杆锚索联合支护缓解了顶板压力。通过实施充填开采沿空留巷技术，达到了沿空巷道预期目标。

图8 沿空留巷巷道支护俯视图Fig.8 Vertical view of gob-side entry retaining roadway support

实施煤矿高浓度胶结充填开采沿空留巷技术后，采空区实现了全断面密实充填。高浓度充填料浆充满了采空区周围岩体的缝隙空间，空气、瓦斯等难以停留在采空区，彻底杜绝了垮落式开采沿空留巷后常见的瓦斯集聚、采空区着火、透水等灾害事故的发生［15］。这也是采空区充填后沿空留巷的一个特点。

通过现场观察发现，工作现场设备居多，人员较多。同时进行多种工艺，有沿空留巷巷道临时支护、永久支护，采煤工作面推进以及充填工作面充填等。所以，在实施充填开采沿空留巷技术时，要统筹安排，合理施工，工序紧凑衔接，避免各工艺相互干扰，影响施工进度，造成安全隐患。

5 结 论

新阳煤矿充填后巷道顶板的垂直应力和巷道围岩最大应力均减小至垮落法时的一半左右，巷道围岩应力降低显著。充填开采后沿空留巷巷道围岩变形较小，其巷道变形率仅为8% 左右，较垮落法时的20%相比减小了12 个百分点，取得了非常好的留巷效果。而且，采空区全部充填开采沿空留巷工艺简单，可操作性强，采空区充填完毕后自然形成沿空巷道。实现了连续开采，缓解了接替紧张问题，取消了区段煤柱，最大限度提高了矿井煤炭资源采出率，而且杜绝了火灾，瓦斯集聚等灾害发生，在有条件的矿井应该推行。

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