综放开采运输巷矸石膏体充填无煤柱开采技术研究

2024-03-18孙钦亮张跃华

山东煤炭科技 2024年2期

孙钦亮张跃华

（山东恒驰矿业装备科技有限公司，山东泰安 271202）

常规开采中相邻工作面之间通常会遗留大量的煤体，因此造成较大的煤炭资源损失，尤其是在开采厚煤层时。在综放工作面的生产中，遗留煤柱的损失约占10%[1]。除此之外，遗留的煤柱会受到较大压力，导致相邻工作面巷道事故增加，增加维修工作量，也不利于预防煤炭自然发火、瓦斯突出及其他灾害的发生[2]。

因此，许多学者提出无煤柱开采，无煤柱开采是通过合理的开拓部署、采煤工作面和巷道布置及采掘顺序，取消护巷煤柱的采煤方法。其主要的优点是消除因煤柱引起的应力集中，使巷道处于应力减低区，减少巷道事故发生，降低维修工作量；降低巷道出现的突出与冲击灾害；降低煤炭损失量，提高煤炭资源的回收利用率[3-5]。以现有的生产力，沿空留巷与沿空掘巷是主流的两种无煤柱开采手段。沿空留巷所布置的巷道需要经受两次采动的干扰，在厚煤层综放开采的工作面中留巷困难且护巷成本较高。而沿空掘巷布置的巷道只受单次采动的影响，护巷难度较沿空留巷容易，但是常规的布置仍需要留设5～7 m 的窄煤柱来护巷，在厚煤层开采时煤炭资源损失较大[6-8]。

山东菏泽单县丰源实业有限公司张集煤矿目前主采3 煤层，首采区西翼3 煤平均厚度为6.10 m，同时每年产生煤矸石180 万t，矸石堆放占用大量土地，对矿区的生态环境保护工作带来巨大压力，严重影响了煤矿的可持续发展。1309 工作面井下位于一采区西翼，1309 工作面走向长度1230 m，倾向长度242 m，综放开采。本文以该矿井1309 工作面的开采技术条件为背景，提出综放开采运输巷矸石膏体充填无煤柱开采技术，并通过数值模拟，分析综放巷内无煤柱掘巷过程中围岩结构的变形特征，掘巷和下区段工作面回采时对充填体稳定性的影响，并根据模拟结果在现场进行了工业性试验。

1 巷内矸石膏体充填无煤柱开采技术原理

综放巷内矸石膏体充填无煤柱开采方法需要根据工作面每天的推进度，确定巷道每次的充填长度，即循环充填步距。预先在巷道壁侧布置网格布，构筑充填空间。在将要实施充填部分的巷道前面布置隔离布起到挡浆作用，将制备的矸石膏体料浆通过管路泵送到巷道内进行充填。最后伴随着工作面开采完成，巷道也随之全部充填完成。待采动影响稳定，再沿着充填体一侧开挖相邻工作面开采所需的巷道。在下个工作面回采的过程中，充填体将替代护巷煤柱支撑顶板，最终实现工作面的不留煤柱开采。

该技术不仅能够使覆岩压力稳定分布，实现工作面整体围岩结构的主动支撑，而且也能有效节约支护资源，实现工作面的经济高效开采。综放巷内矸石膏体充填无煤柱开采，待上一工作面覆岩运动基本结束，充填体也达到稳定状态后，可沿充填体一侧开挖下一工作面回风巷道，减少了上、下两个区段的接续时间，有效缓解了当前工作面接续压力过大的被动局面。同时，对下区段回风巷进行开挖时，可以贴近充填体掘巷，便于定位。由于新掘巷道的一侧为充填体，可节约巷道的支护材料，降低巷道支护成本。其次，充填体具有较高的强度和支撑力，具有较好的密闭性，不会发生漏风，使得采空区中的瓦斯和其他毒害气体不容易外泄。再者，综放开采运输巷充填无煤柱开采使用充填体代替保护煤柱，可实现无煤柱开采，提高资源回收率，同时可防止采空区内煤柱自然发火和潜在的冲击矿压隐患，消除煤柱应力集中现象，减少突出与冲击事故。利用巷内充填体代替护巷煤柱，充填体的参数可以人为设计，与煤柱相比具有密度小、宽度窄的特点，并且充填材料为矸石等废弃物，可以缓解矸石堆放占用大量用地的问题，促进煤矿绿色可持续发展。

综放开采运输巷矸石膏体充填无煤柱开采技术的具体步骤如图1 所示：

图1 综放开采运输巷矸石膏体充填无煤柱开采步骤图

（a）开掘上工作面运输平巷，并留出足够的宽度为下一步充填做准备。

（b）在巷道靠近下区段工作面煤壁侧构筑充填体墙。充填的高度要与巷道高度一致，强度和宽度满足下工作面回采需要。

（c）上工作面回采过程中，基本顶发生回转、下沉现象。

（d）上工作面回采结束，沿着充填体开挖下工作面回风平巷。此时已经基本完成覆岩运动，向静态受力平衡状态过渡。

2 综放开采运输巷矸石膏体充填围岩变形特征数值模拟研究

巷内围岩结构的力学响应稳定性是调整回采技术的关键因素。为了研究无煤柱开采对巷道围岩结构稳定性的影响特征，对回采过程中巷内围岩的应力演化过程进行分析。通过构建充填体与围岩的整体结构模型，模拟计算采动过程中覆岩结构的应力和稳定性。

2.1 模型建立

根据张集煤矿1309 工作面综合地层柱状图建立三维数值仿真模型，尺寸为200 m×160 m×70 m。模型中采用了渐变网格划分，由于模型生成过程中区域网格大小的确定对模拟结果有重大影响，在设计时遵循网格大小尽可能满足差异越小越准确的原则，在沿充填体掘巷巷道围岩附近进行了加密式网格划分。如图2 所示，通过向模型顶部施加应力边界条件来模拟上覆岩重，模拟埋深600 m。模型沿走向及倾向方向施加水平应力，侧压系数0.5。模型外围设置足够的保护煤柱以减少边界效应对模拟结果的影响。各煤岩层力学参数见表1。

图2 数值模型边界条件示意图（m）

根据现场情况，模拟巷道尺寸为4.6 m×2.9 m，随着回采的不断进行，开挖一次后即对巷道进行充填，充填体宽度为2 m。依次对上下工作面回采过程中的围岩结构响应特征进行分析研究。

2.2 上工作面回采过程中围岩应力分布特征

上工作面回采过程中围岩应力分布规律如图3所示。

图3 上工作面回采过程中围岩应力分布规律

由图3（a）可以看出，“上工作面回采”结束后，沿纵深方向，充填体墙及实体煤层出现一定的应力集中现象。但应力在巷内的覆岩和底板中分布较为均匀，整体结构的受力情况较为稳定。其中，垂直应力最大值为30.5 MPa，集中系数为3.27；实体煤层在距充填体2.8 m 的位置出现了最大的垂直应力，最大值为22.3 MPa，应力集中系数2.18。图3（b）可以看出，在“上工作面回采”结束后，水平应力主要由顶板和底板共同承担。充填体与顶板之间的离层区发生了水平应力集中，顶板上的水平应力最大值为3.9 MPa。充填体和围岩所受水平力并没有过大的差别，两者之间不会出现明显的集中应力。图3（c）可以看出，“上工作面回采”结束时，剪应力在整个工作面中基本无明显差异，由回采所引起的剪应力重分布并不会对围岩的稳定性造成影响。充填体下方3 m 处剪切应力达到最大值，为5.2 MPa；上方剪切应力的最大值出现在4.2 m 位置处，最大值为5.9 MPa。充填体上方和底部均出现明显的剪应力集中现象。

基于上述对上工作面回采应力的模拟分析，上工作面回采过程中充填体所受的垂直应力较大，充填体墙的稳定性主要取决于垂直方向集中应力的大小。而开采过程中充填体在水平方向的应力集中现象较弱，上覆岩层与充填体的应力响应趋于一致。水平应力在上下岩层中均有一定分散，水平应力主要集中分布在充填体前的围岩中。充填体在上工作面回采过程中的剪切效应较弱，剪切应力在围岩和充填体中能够均匀分布，两者在回采过程中能够很好地相互协调、共同承力。因此，上工作面开采过程中充填体的稳定性主要与垂直方向的抗压能力相关。

2.3 下工作面回采过程中围岩应力分布特征

二次回采过程中围岩应力分布规律如图4 所示。

图4 二次回采过程中围岩应力分布规律

由图4 可知，围岩的应力分布规律在“下工作面回采”期间，主要受到支承压力的叠加影响，充填体与围岩的应力状态存在一定差异。图4（a）是工作面超前0 m 处围岩应力的分布规律。可见，垂直应力作用于充填体之上远高于实体煤上，充填体处应力最大值达到35.4 MPa，集中系数为3.55；而实体煤产生应力仅为17.3 MPa，集中系数为1.68。并且充填体附近区域的围岩出现应力集中现象，充填体与围岩的应力特征差异较大。底板与覆岩的应力分布基本为相互对应的状态。图4（b）是工作面超前10 m 时围岩应力的分布规律，在充填体和实体煤中均出现显著的应力集中现象，并且在充填体附近的应力集中现象加剧。作用于充填体上方的垂直应力峰值达到34.2 MPa，集中系数为3.35；而在沿充填体掘巷距实体煤巷帮煤壁3.5 m 位置，实体煤所受垂直应力达到峰值为29.5 MPa，集中系数为2.97。随着超前距离的不断增加，作用于充填体及实体煤上方的支承压力峰值不断减少。当超前距离达到20 m 时，充填体附近区域的集中应力发生弱化，围岩的应力状态逐渐趋于稳定。在超前30 m处，充填体产生的垂直应力到达最大为30.2 MPa，集中系数为3.02；而实体煤上产生垂直应力的峰值为25.3 MPa，集中系数为2.56。并且充填体附近区域的应力状态基本未发生改变，说明采动所引起的应力传递存在一定的界限距离。巷内围岩越靠近左端，应力梯度的变化越强烈，最终，在充填体附近形成明显的异化响应区。该区结构会在短期内发生迅速的能量聚集并受到周围岩体的约束，其会在采动扰动的作用下发生一定的能量释放和失稳。随着采动距离的不断延伸，该区岩体受动力扰动的影响，会促使内部能量不断向上部覆岩发生释放。但随着扰动作用的越来越弱，该区围岩结构的应力分布趋于稳定，整体围岩的应力梯度逐渐变小，充填体的应力也由刚开始的激增逐渐减弱至稳定。

通过对研究结果分析发现：在“下工作面回采”时，支承压力是影响围岩应力分布规律的主要因素。其中，充填体上方的应力峰值随与停采线的距离增大而减小，在超前0 m 处实体煤上方的应力峰值降到最低。在10 m 到30 m 工作面的超前距离上，实体煤帮上方的应力峰值也相应缩小。该阶段应力扰动对周围结构的影响集中发生在前10 m，此过程整体结构的应力梯度发生了显著变化。

3 综放开采运输巷充填无煤柱开采技术工程试验

基于上述模拟结果，完善工作面的无煤柱开采技术，对采动过程中的不稳定点进行支撑。在“不对称协作支护”理论和技术基础上，针对综放工作面沿空巷道围岩的变形和损伤特点，对巷内永久支护、工作面端部区域、工作面超前动压作用及采动滞后部位等多个容易受到应力干扰的部位进行相应的支护加固，对原有的支护方案进行优化研究，保障地下煤炭资源的安全高效生产。

巷道形状为矩形断面，断面尺寸为4600 mm×2900 mm，原巷道支护方案设计如下：

1）巷道顶板支护参数。使用长度为2400 mm、直径22 mm 的高强让压锚杆，间排距800 mm×900 mm，两侧锚杆距巷帮300 mm，并倾斜20°安装，每根锚杆使用2 支树脂锚固剂锚固。锚索采用长度为6300 mm、直径22 mm 的高强高预应力锚索，锚索布置方式为“3-0-3-0”布置，间排距为1600 mm×1800 mm，中间锚索位于巷道中心点，每根锚索使用3 支树脂锚固剂锚固。为避免顶煤破碎，采用组合铁丝网护顶，全断面双层网片支护第一层采用双抗网，第二层网片采用直径6 mm 钢筋焊接而成的方格网，网格尺寸为100 mm×100 mm，规格1100 mm×2000 mm，网间搭接100 mm，每隔200 mm 用双股14#铁丝绑扎，不得出现漏联现象。

2）巷道帮部支护参数。锚杆的类型、规格、锚固方式以及长度、预紧扭矩等均与顶板相同，间排距均为800 mm，顶角锚杆距离顶板200 mm，底角锚杆距离底板300 mm，锚杆间通过双钢筋托梁横向联结，锚杆托盘及相应配套构件与顶板一致。

为了优化原有巷道的支撑结构，构建巷道顶底板与围岩的一体化支撑体系，采用长锚索对原有的结构支撑方案进行优化。将原本的“3-0-3-0”布置改为“3-3-3-3”锚索布置，补强锚索规格为Φ22 mm×7300 mm，预紧力不低于300 kN，间排距为1800 mm×1800 mm，补强锚索距实体煤帮与充填体的最近距离分别为300 mm 和600 mm，锚索采用钢筋托梁纵向联接。为了防止层间错动带来的剪切破坏，顶板两侧补强锚索倾斜20°安装，中间一根垂直安装。锚索托盘采用300 mm×300 mm（长×宽），厚度为16 mm、拱高为60 mm、承载能力不小于550 kN 的带调节球垫的拱形托盘，如图5。

图5 永久支护加固方案示意图（mm）

经现场支护构件受力监测分析发现，沿充填体掘巷附近，支护构件的受力主体为承载大部分上覆岩层重量的实体煤帮，巷道内整体围岩结构的支承效果良好。实体煤帮侧的锚杆在掘进过程中的最大受力为186 kN，锚索的最大受力为253 kN。虽然支护构件在回采时受力已近极限，但支护结构仍能较好地完成吸能作用，并且其强度尚在可满足生产要求的承受范围之内。