综放工作面沿空留巷充填墙体变形分析

2019-07-15原红波

山东煤炭科技 2019年6期

原红波

(山西兰花集团东峰煤矿有限公司，山西晋城 048000)

煤炭占能源结构的70%左右，在未来相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变，因此煤炭资源回收率将至关重要[1]。针对煤炭资源回收率低的问题，根据多年研究，先后提出了沿空掘巷、沿空留巷、小煤柱开采、110工法、N00工法等技术手段，其中沿空留巷技术最为成熟与突出。2012年西安科技大学提出“煤炭资源完全开采”的理念和配套技术，采用柔模支护技术手段，提高煤炭回收率，为煤矿开采创造更有利的条件[1-2]。

柔模混凝土沿空留巷技术可以回收工作面之间煤柱，延长矿区服务年限；降低巷道掘进率，从根源上减少顶板事故；回采工作面实现Y型通风，消除回风隅角瓦斯积聚。因此，积极推广无煤柱沿空留巷技术可以促进煤炭工业的可持续发展，提高煤矿安全生产水平，保证国家能源战略安全[3-6]。

1 工作面沿空留巷现状

柔模混凝土沿空留巷支护技术已在神华集团、翼中能源、山西潞安、阳煤集团等多个煤矿多个工作面进行了成功应用，取得了良好的经济、安全和社会效益。大部分矿井采用柔模混凝土支护技术均是在大采高工作面，综采放顶煤工作面采用很少。东峰煤矿与西安科技大学进行了沿空留巷技术合作，在井下3G02工作面轨道顺槽进行了试验性开采。

东峰煤矿沿空留巷柔模混凝土墙体厚1.2m，混凝土墙高度3.1～3.2m，留巷宽度4m。巷内采用锚网索梁联合支护方式。顶板锚索采用三二三二布置，锚索型号为Φ17.8×8400mm；顶板每排采用6根高强锚杆支护，锚杆型号为Φ20×2200mm，间距950mm，排距950mm；煤帮采用高强锚杆进行支护，每排四根，锚杆型号为Φ20×2200mm，间距750mm，排距950mm。采空区采用ZRL9220/22/34D沿空留巷挡矸支架配合双层金属网维护，支架由2排窄体支架组成，外形尺寸6.5×1.6×2.2m，支架工作阻力9220kN，初撑力7760kN，支护强度1.2MPa。超前工作面40m范围内沿顺槽走向采用一梁五柱进行临时加强支护，排距1000mm；滞后工作面100m范围内沿顺槽走向采用一梁三柱临时加强支护，排距1000mm，单体支柱的型号为DZ31.5，超前π型钢梁的长度为4800mm，滞后π型钢梁的长度为3600mm。

截至2018年5月，3G02工作面轨道顺槽试验沿空留巷结束，共留巷615m。沿空留巷施工期间受回采工作面采动和采空区基本顶垮落影响，巷道压力较大，出现顶板下沉、墙体劈裂、帮鼓等现象，巷道压力主要表现在滞后工作面50～150m范围内。留巷结束后巷道压力主要表现为底鼓。

2 沿空留巷柔模混凝土墙体变形分析

2.1 测站布置

为观测沿空留巷柔模墙体压力变化，沿空留巷施工过程中在柔模墙体内预埋6组柔模墙体监测系统，每组有6～7个压力表，用于监测墙体纵向受压情况。同时在墙体靠巷道一侧安装3个锚栓压力表，用于监测墙体横向受压情况。布置位置如表1。

表1 墙体测站布置

2.2 柔模墙体压力变形观测

留巷过程中，柔模墙体有不同程度的破坏。巷道整体变形主要表现为靠墙体的剪切变形，形成台阶。受损墙体主要表现为上部局部墙鼓、劈裂现象。留巷完成后，巷道压力主要表现为底鼓，柔模混凝土墙体下方整体向巷道内偏移，造成挤压力，导致巷道底鼓。

图1 一号测站柔模混凝土墙体压力观测结果

1#墙体监测系统数据分析如图1。在滞后130m的范围内，墙体压力上升至最大值0.7MPa，在滞后130～150m范围内压力急剧降为0.28MPa，在滞后150～200m范围内上升至0.67MPa，在150～300m稳定在0.9MPa左右。该压力曲线在滞后130～150m时出现明显变化，这是由于顶板大面积垮落，周期来压所致。滞后工作面200m左右位置处压力稳定，此后采空区被垮塌的矸石充满。

图2 二号测站柔模混凝土墙体压力观测结果

2#墙体监测系统数据分析如图2所示。0～40m的范围内，墙体压力上升至最大值5.7 MPa，在滞后50m范围内压力降为3MPa。该压力曲线在滞后10～50m出现一次明显动压，即滞后工作面40m处，为周期来压所致。滞后工作面50m后压力减少，这是由于顶板大面积垮落后，采空区矸石充实采空区，导致压力减少。

2.3 墙体锚栓压力分析

图3 一号测站锚栓应力变化

1#墙体锚栓压力分析如图3。在滞后30m的范围内，锚栓压力上升至最大值3.5MPa(14.03kN)，在滞后30～200m范围内出现周期性变化，在滞后200～300m范围内下降至1MPa（4.008kN），此后稳定。通过墙体锚栓受力规律可以看出，紧跟工作面有一次较明显的周期来压和一次周期充分垮落。周期充分循环200m左右，达到一个完整的周期垮落循环以后，采空区被垮塌的矸石充满，之后留巷压力逐渐减小，并趋于稳定。

2#墙体锚栓压力分析如图4。在滞后10～40m的范围内，锚栓压力上升至3.0MPa，在滞后40～120m趋于稳定，在滞后120～140m范围内上升至3MPa，140～150m 稳定在 1MPa(4.008kN)，140～180m 增加至3MPa，滞后200m后稳定在3MPa(12.02kN)。通过墙体锚栓受力规律可以看出，紧跟工作面有两次较明显的周期来压和一次周期充分垮落。周期来压步距40m左右，周期充分循环180m左右。达到一个完整的周期垮落循环以后，采空区被垮塌的矸石充满，压力趋于稳定。

图4 二号测站锚栓应力变化

图5 三号测站锚栓应力变化

3#墙体锚栓压力分析如图5。在滞后10～35m的范围内，锚栓压力上升至15MPa（60.12kN），在滞后35～70m缓慢升至20MPa(80.16kN)，在滞后70～80m范围内上升至25MPa(100.2kN)，随后缓慢升至最大值28.6MPa(114.6kN)。通过墙体锚栓受力规律可以看出，紧跟工作面有两次较明显的周期来压，周期来压步距40m左右，一次出现在0～40m范围内，第二次出现在80m左右。此测站锚栓受力均比前两组大得多，这是由于该测站位于工作面见方处，顶板大面积垮落，压力显现剧烈。