东曲矿矸石充填开采沿空留巷围岩稳定性控制技术研究

2024-01-07郭朝锋

山西冶金 2023年7期

郭朝锋

（山西西山矿业管理有限公司，山西太原 030053）

0 引言

矿井采掘过程留设煤柱不仅造成资源浪费，而且易产生应力集中区，给邻近工作面的巷道围岩控制造成危害。沿空留巷技术是一种无煤柱开采技术，不仅可以有效提高煤炭采出率，延长矿井服务年限，还可以消除应力集中的煤柱和孤岛工作面，减少冲击矿压的发生[1-2]。同时，工作面可以实现Y 型通风，减少瓦斯积聚等。在实际掘进中，先后形成了矸石墙、密集支柱、木垛、矸石带以及巷旁矸石充填等多种形式的巷旁支护结构，提出了木棚、工字钢梯形棚架、U 型钢可缩性棚架、锚杆支护以及锚梁网索联合支护等巷内支护形式[3]。本文以东曲矿28802 工作面为工程背景，探讨深部矸石充填工作面矿压显现规律与留巷原理，并提出深部矸石充填工作面沿空留巷支护技术。

1 深部矸石充填沿空留巷原理

1.1 深部工作面矿压的来源与控制

深部矿井充填开采工作面埋深大、地应力高，回采时矿压显现剧烈是造成沿空留巷困难的主要原因。通过控制和利用覆岩破断、移动形成的覆岩结构，可实现工作面侧向沿空留巷局部区域的应力卸载，为沿空留巷创造低应力的力学环境。同时，通过合理的技术手段控制采场覆岩剧烈移动，减轻应力扰动，从而实现深部沿空留巷围岩的稳定。在深部工作面采用矸石充填采空区，不仅能够有效缓解剧烈的矿压显现，而且能够消化井下矸石，是减少矸石成本和地表矸石污染的重要技术手段。

1.2 深部矸石充填工作面顶板沉降规律

随着工作面的推进，顶板持续下沉，矸石承载能力快速增加。采空区矸石进入压实承载阶段。当顶板沉降到一定程度后，矸石承受的载荷趋于稳定。此时，采空区矸石处于稳定承载阶段。在矸石稳定承载阶段，新的承载结构逐渐形成，采空区覆岩达到新的平衡。

1.3 沿空留巷覆岩承载结构分析

采用传统垮落法开采时，采空区会形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带“三带”覆岩移动特征。在大采高、强采动条件下，覆岩移动异常活跃，留巷围岩在应力扰动反复作用下产生弱化。如果采用矸石及时充填采空区，在充填矸石充实率较高、接顶较好时，采空区覆岩顶板仅具有断裂带和弯曲下沉带“两带”分布特征，充填矸石将替代原覆岩垮落带。

2 深部工作面沿空留巷围岩控制

2.1 沿空留巷围岩应力变化

工作面推过后，采空区上覆岩层自下而上发生破断、垮落。在采空区四周边界，形成“悬臂梁”式覆岩结构。在垂直方向上，侧向边界上的“悬臂梁”覆岩结构承载了上覆岩层转移的大部分载荷，并通过直接顶传递至沿空巷道围岩。采空区侧向形成倒梯形承载区或楔形承载区，如图1 所示。

图1 沿空留巷围岩承载结构

在侧向支承力扰动作用下，该承载区岩体逐渐弱化，承载能力逐渐降低，倒梯形承载区范围随着侧向支承压力转移和上覆岩层的破断、垮落而不断增大。在覆岩垮落至主关键层时倒梯形承载区范围达到最大。充填工作面由于等效采高减小，采空区覆岩垮落范围有限，有效缓解了转移至采空区边界煤体上的作用力，直接顶受不同支撑结构作用，应力重新分布。

2.2 沿空留巷围岩变形特征分析

基于沿空留巷围岩应力分布规律和现场调研发现，深部沿空留巷围岩表现出一定特征，如图2 所示。

图2 沿空留巷围岩变形特征

1）巷道顶板易破碎。巷道直接顶围岩处于倒梯形承载区，是传递上覆岩层应力的主要区域。沿空留巷巷道顶板受相邻2 个工作面回采扰动影响，顶板围岩急剧弱化，巷道顶板极易破碎、垮落。

2）巷旁支护结构大变形。沿空留巷巷旁支护体在基本顶悬臂之下主要受直接顶重力作用。直接顶上存在一个较小的应力峰值，矸石墙体作为巷旁支护结构时，由于矸石受压缩时具有分级蠕变特性，在受载时累积变形量大，易产生底鼓。

3）实体帮围岩易受冲击。在深部工作面沿空巷道实体煤帮，由于埋深大，且受到相邻工作面支承压力叠加作用，实体煤帮围岩内应力集中，即存在一个很大的应力峰值，如果实体煤帮围岩具有冲击倾向性，则沿空巷道实体煤帮区域容易发生冲击地压危险。

2.3 沿空留巷围岩控制原理与支护原则

根据深部工作面沿空留巷围岩的应力与变形特征分析，得到深部矸石充填工作面沿空留巷围岩控制基本原理：

1）留巷顶板围岩超前支护、强力护表、深部锚固。在工作面回采之前加固沿空巷道顶板围岩，对顶板浅表区域进行强力支护，保持顶板完整。在工作面回采前，对沿空留巷顶板施加初次支护，形成梁式承载结构，使得巷道顶板能够自稳。

2）巷旁支护结构宽度合理、协同承载。在矸石墙宽度合理的条件下，控制巷旁矸石墙鼓出，实现柱-墙协同承载。采用矸石墙和柱式支撑结构共同作为巷旁支护结构，在矸石墙堆砌过程中采用穿墙锚杆+金属网+钢带等支护结构约束矸石墙的侧向变形，并通过施加一定的预紧力来有效提高矸石墙承载能力，并尽快承载。

3）留巷底板围岩高应力向深部转移。转移峰值应力，减少底板非均匀变形。由于沿空巷道两帮围岩传递下来的应力呈非均匀分布，通过对实体煤帮钻孔，将实体煤帮浅表围岩中的高应力向煤体深部转移，从而减少沿空巷道底板的非均匀鼓出。

3 沿空留巷技术应用

3.1 矿井概况

东曲矿28802 号矸石充填工作面位于-860 水平二采区南翼，工作面走向长度239 m，倾斜长度120 m，埋深920～974 m。28802 号充填工作面主采8 号煤层，煤层平均厚3.85 m，平均倾角7°。28802 号充填工作面采用单一走向长壁综合机械化充填采煤。采用井下煤矸分离系统将煤和矸石分离，矸石通过专用充填液压支架和刮板输送机进入工作面充填采空区。

3.2 沿空留巷方案设计

工作面采用矸石袋垒设隔离墙+钢管混凝土立柱作为巷旁支护结构进行沿空留巷。矸石袋交错垒设，确保袋子之间充分搭茬，保证隔离墙垒设密实。矸石墙厚3.0 m，隔离墙两侧挂设金属网和W 钢带，隔离墙内预留长3.5 m 的锚杆，用于锁紧矸石墙。距隔离墙0.5 m 处沿巷道走向设置钢管混凝土立柱，立柱间距为2.0 m。采用直径159 mm、壁厚6 mm 的无缝钢管进行两端封堵后，采用抬升灌注法注满水泥，钢管混凝土柱的高度为3.8 m。同时，在支设钢管混凝土立柱时，在立柱上方垫设高0.2 m 的方木接顶，以达到让压的目的。

3.3 沿空留巷巷道支护技术

1）沿空留巷巷道超前支护。沿空留巷巷道为28802号工作面下平巷，主要作用为进矸、进风，辅助运料、行人，通过沿空留巷作为下区段的回风平巷。巷道净宽4.8 m，净高4.0 m，净断面面积19.2 m2。顶板和上帮采用锚杆+W 钢带+钢筋网支护，下帮采用锚杆+锚带+塑料网支护。锚杆为Φ22 mm×2 500 mm 的无纵筋螺纹钢树脂锚杆。

2）沿空留巷巷道顶板加强支护。进行沿空留巷前，采用Φ21.8 mm×6 300 mm 的高预应力锚索对巷道顶板进行加强支护。锚索布置在巷道顶板钢带之间，锚索预紧力应控制在80 kN。沿空留巷后，采用注浆锚索进行加强支护，注浆锚索布置在2 排超前锚索中部，注浆锚索长度为6 300 mm。注浆孔设置在注浆锚索中部，端部采用3 根树脂药卷锚固，最小锚固长度不小于1.5 m。注浆结束后，根据裂隙发育规律，滞后工作面一定距离进行注浆，至少滞后工作面50 m，从而强化顶板围岩。

4 深部工作面沿空留巷监测

4.1 深部工作面沿空留巷监测方法

在矸石墙内离地高度分别为2 m 和3 m 处安装2 个顶板离层仪，监测矸石墙的膨胀变形量。同时，在矸石墙中安装2 个压力盒，压力盒间距0.8 m，距底板1.0 m，安装深度1.5 m。对矸石墙体受压压力进行实时监测，监测情况如图3 所示。

图3 矸石墙承载压力

4.2 巷旁支护结构的承载与变形分析

距离底板2 m 处测点的变形量在监测前40 d 内缓慢增长，在40 d 时突然增大，随后趋于平稳。距离底板3 m 处测点的变形量在监测前40 d 内快速增长，在监测至40～90d 时变形增长变缓；在监测至90～110 d 时变形量再次加速增长，随后再次变缓，呈现台阶式增长规律。相比而言，离底板3 m 处的变形量更大，且增大趋势更显著。矸石墙内的2 个压力测点均表现出了台阶式增长特征，其中，2 号测点还出现了应力减小的情况。不同高度的测点变形量差异性较大，说明矸石墙不同高度的膨胀变形不均匀。因此，需要加强矸石墙侧向约束，优化矸石级配甚至注浆强化，以保证矸石墙快速、稳定承载。