原巷充填无煤柱掘巷技术的应用研究

2020-02-24胡乐天王民廷

煤炭工程 2020年2期

胡乐天，王民廷

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；2.中北煤化工有限公司色连二矿，内蒙古鄂尔多斯 017000)

原巷充填无煤柱掘巷是沿空掘巷技术中的一个重要方向，随着巷道支护技术的不断发展，原巷充填无煤柱掘巷的围岩控制技术也在进行不断地完善。原巷充填无煤柱掘巷，指在上区段工作面回采时，利用充填材料对工作面后方拟废弃的巷道进行充填，待充填体稳定后，沿充填体边缘掘进下区段的回采巷道。原巷充填无煤柱掘巷与留小煤柱掘巷相比，有很多优点，首先充填体抗压强度高于煤体抗压强度，具有较好的支撑性能，有利于巷道的支护，其次可以实现无煤柱开采，减少煤炭损失。为了探索沿空巷道围岩控制和巷旁充填技术，国内许多学者和工程技术人员做了大量研究[1-11]。本文以新庄孜煤矿62310回风巷为工程背景，介绍了原巷充填无煤柱掘巷技术并对巷道支护效果进行分析。

1 工程概况

新庄孜煤矿62310回风巷标高为-735—-775m，该施工段位于Ⅴ线石门以南，-812m南边界轨道石门以北。上覆B11b煤、下伏B8煤层均未采。62210工作面已收作。62310回风巷沿着上区段62210回采巷道预充填体掘进，巷道断面设计为直墙半圆拱形断面，断面尺寸为4600mm×3200mm，巷道走向长度为1400m，巷道布置在B10煤中，破顶施工。B10煤顶底板岩性见表1。

表1 B10煤顶底板岩性表

2 原巷充填无煤柱掘巷

原巷充填无煤柱掘巷，在时间上可分为原巷充填阶段和无煤柱掘巷阶段；在空间上分为上区段工作面运输巷充填和下区段回风巷沿着充填体掘进。原巷充填无煤柱掘巷布置如图1所示。

图1 原巷充填无煤柱掘巷布置示意图

2.1 原巷充填技术

2.1.1 充填材料的选取

充填材料的选取首先要满足支护顶板的要求，应具有较大的支护阻力；其次应满足连续快速充填的要求，充填进度要满足安全生产要求。62310回风巷帮充填材料为高水速凝材料，有较好的力学性能，对顶板有较高的工作阻力，充填体的强度能达到7MPa，并具有良好的密闭性能，对采空区封闭性较好，高水速凝材料的充填全程机械化充填，人工辅以送料，极大的提高了充填效率，满足生产要求。

2.1.2 充填工艺

原巷充填是在上区段工作面回采时，在工作面后方废弃巷道内充填。上区段工作面中夜班回采，早班检修，故充填时间定为每天早班，每天充填长度与工作面推进度一致。

充填系统包括充填材料制备、充填泵的选取、充填管路敷设、模板搭设，充填，高效稳定的充填系统有利于提高充填进度和充填体质量[12]。根据上区段工作面的布置系统，选择2ZBYSB300～90/5～15-55型双液注浆泵，布置在上区段工作面巷道，采用Φ100mm高压胶管作为输送管路将充填材料输送到充填位置。人工立模，将充填巷道内的浮矸遗煤清理干净，采用厚度为20mm大板配合直径Φ200mm木点柱搭设好充填模板，并在充填模板内挂设充填袋，将高压胶管伸入充填袋内，并用铁丝扎好进行充填。

2.1.3 充填体参数设计

充填体宽度和充填体工作阻力是安全成巷的重要参数。充填体宽度与充填体的工作阻力充填体宽度过大，造成施工成本过高，不利于节约成本；充填宽度过小，不能确保巷道安全施工，也不利于巷道的维护。根据62310回风巷的地质条件，充填体宽度和充填体所需强度关系见表2[13]。

表2 充填体宽度和充填体所需强度关系表

由表2可知，充填体宽度与充填体所需强度成反比例关系，充填体宽度从1m增加到3m时，充填体所需强度下降幅度较大，宽度从3m增加到7m时充填体所需强度降幅逐渐减小，62310风巷的巷帮充填体强度在7MPa，从安全和经济两方面考虑，充填体宽度选择3m比较合理。

2.2 无煤柱掘巷围岩控制方法

根据62310巷道围岩应力、围岩强度、充填体强度以及各因素之间的关系，选择合适的支护形式，降低围岩应力，增加围岩强度，改善围岩受力条件和赋存环境，以期可以有效地控制围岩的变形和破坏。

1)采用主动支护方式，沿空掘巷前，上区段采空区周围岩层运动已经稳定，沿空掘巷后破坏了原有的平衡，巷道周围的煤岩出现新破坏区、塑性区，通过锚网索主动支护，减少围岩变形的增长。

2)中空注浆锚索加锚杆、锚索耦合支护，增大巷道围岩强度，使巷帮充填体与巷道围岩形成一个整体，优化巷道围岩和巷帮充填体的受力条件和赋存环境，提高巷道围岩稳定性。

3)采用高强度预应力锚杆，根据组合拱理论[14]：在拱形巷道围岩破坏区和塑性区安装预应力锚杆，从杆体两端起形成圆锥形分布的压应力区，如果锚杆间距足够小，各个压应力圆锥体相互交错，那么巷道围岩形成一个均匀的压缩带，压缩拱里面的煤岩处于三向应力状态，围岩强度提高，支撑能力增大。

2.3 无煤柱掘巷支护设计

2.3.1 锚杆支护

巷道支护采用IV级左旋无纵筋专用螺纹钢加工而成的高性能锚杆，尺寸为Φ24mm×2500mm，间排距800mm×900mm，每排13根锚杆，采用3支Z2560新型全长树脂锚固剂进行全长锚固，锚杆预紧力矩不低于180N·m，顶部锚杆锚固力不低于100kN，帮部锚杆锚固力不低于80kN。

2.3.2 锚索支护

巷道顶部锚索采用Φ22mm×6300mm高强度低松弛预应力钢绞线，间排距为900mm×900mm，中空注浆锚索规格为Φ22mm×4300mm，布置在巷道上帮肩窝处，每排4根普通锚索和1根中空注浆锚索，每根锚索采用3支Z2355中速树脂药卷锚固，锚索预紧力120kN，锚固力不低于200kN，锚索锚固段生根在稳定岩层1m以上。

2.3.3 网片、托盘及钢带规格

钢筋网规格为1800mm×1200mm，塑网规格为1000mm×2000mm，塑网布置在岩面与钢筋网之间。钢筋网之间采用W4型钢带压茬；锚杆托盘采用高强托板，规格为150mm×150mm×12mm；承载能力不低于锚杆体极限拉断力；锚索托盘规格为300mm×300mm×16mm；W钢带规格：采用W4-280型钢带护顶，长4900mm。

3 巷道支护效果分析

为了研究对巷道支护效果的评价，对63210回风巷进行布点监测。监测内容为巷道围岩表面位移、顶板离层。对多种监测资料进行分析和互相验证，确保监测信息的可靠性，用以对设计进行调整优化，判断施工方案的合理性，指导后续施工[10]。

3.1 巷道监测方案

为了更真实的反映巷道掘进下的围岩变形和支护工作载荷，监测点应在巷道拨门施工3～5m时开始安设监测点，此后沿着巷道掘进每隔50m安设监测点，收集了3个监测点的巷道围岩表面位移、顶板离层数据，监测内容见表3。

3.2 巷道监测数据分析

1)巷道表面位移随着开挖时间的变化。巷道表面位移的变化情况是巷道支护稳定的表现，在巷道掘进期间，巷道表面不可避免的产生位移，其原因是岩石自重应力和开挖产生的围岩应力引起的。采用十字布点法，对巷帮和顶底位移进行监测，本次收集了3个监测点的监测数据，巷道表面位移与时间关系如图2所示。

表3 巷道矿压监测

图2 巷道表面位移与时间关系图

由观测数据可知，在巷道掘进后10d之内巷道掘进后表面位移变化较大，主要由于巷道煤岩体发生膨胀造成表面位移增加，巷道顶板表面位移达到20mm，巷道两帮表面位移达到30mm，随着锚杆、锚索和中空注浆锚索发挥支护作用，巷道表面位移不受掘进影响，主要是受到岩石流变的影响，其变化量很小并且趋于稳定，最终巷道顶板表面位移稳定在50mm左右，巷道两帮表面位移稳定在50mm左右，说明锚网索支护有效的控制巷道顶板和帮部的围岩变形，巷帮充填体强度满足支撑顶板的要求。巷道底鼓变形量在整个观测期间为80～200mm，其变形量大的原因是直接底为泥岩，围岩强度弱；其次是底板未采取支护，巷道围岩运移是按照最省力的方式运行，故底板变形量比帮顶高。从整个观测数据来看，巷道表面位移变形量不大，巷道断面收缩率在11%以下，巷道支护效果良好。

2)巷道顶板离层位移监测，巷道顶板离层指示仪可以测试巷道顶板内部的位移变化，也反映出巷道顶板压力状况。故此次顶板离层位移监测设置浅基点和深基点来观测顶板沉降值，浅基点布置在巷道顶部2.5m深的砂质泥岩里，其监测锚杆长度范围以内的顶板离层情况，深基点布置在巷道顶部6.5m深的砂岩里，其监测锚索长度范围内的顶板离层情况，其巷道顶板离层与时间关系如图3所示。

图3 巷道顶板离层位移与时间关系图

巷道顶板离层量的大小不仅取决于顶板岩石自重作用因素，还应考虑锚网索支护对其的控制作用，岩石自身因素是客观的，无法改变，因而锚网索支护则控制顶板离层的关键，顶板离层量的大小反映了支护效果的好坏。由图3可知，巷道开挖以后巷道顶板离层位移随着掘进天数的推移都有不同程度的增加，浅基点和深基点的离层位移在5～20mm之间，并且在掘进40～50d后趋于稳定，说明巷道支护效果良好，锚网索支护和充填体的承载能力得到充分发挥；深基点顶板离层量包含了浅基点顶板离层量，由图3(a)、(b)比较可以得出，深基点到浅基点之间未发生离层现象，说明锚索充分发挥了悬吊作用，同样也说明巷道开挖后，巷道顶板的基本顶未发生离层，巷道离层主要在直接顶段，反映了巷道锚网索支护对顶板离层起到了良好的控制。