深部煤层综采工作面高水材料沿空留巷技术

2020-03-05吕林尊

山东煤炭科技 2020年2期

吕林尊

（江苏矿业工程集团有限公司，江苏徐州 221141）

沿空留巷即在工作面回采过程中，通过有效的巷旁支护和巷内支护技术，将本工作面的回采巷道保留下来，作为邻近工作面的一条回采巷道使用，这种保留巷道的施工技术称之为沿空留巷[1-2]，如图1所示。沿空留巷减少了巷道掘进量，缩短了工作面的准备时间。随着煤矿开采深度的加深，矿井灾害愈加严重，传统的小煤柱沿空掘巷已不能满足矿井采掘接替的需要。为了解决这一问题，前人将高水材料应用到沿空留巷布置中，对工作面过空巷基本顶力学模型失稳机理和采用高水材料局部充填法进行了探究，并对工艺过程进行了划分规划[3]。

1 高水充填材料的确定

沿空留巷施工地点位于采空区边缘，因此巷道保留期间必然受到上区段采掘应力场的影响[4]。在基本顶经历断裂失稳到回转下落压实采空区的过程中，沿空巷道内的顶底板以及充填体受力情况也随之发生动态变化。充填体内部应力状态的动态变化，将要求充填体具有良好的塑性，以防止在动态应力场作用下，充填体内裂隙过度发育，最终导致采空区漏风和自然发火[5]。

图1 沿空留巷示意图

高水材料是一种能在高水灰比条件(W/C=1.3:1～3:1)下快速凝结的无机胶凝材料。与普通水泥浆液相比，该材料不仅凝结速度快，而且材料凝结后的应力应变关系属于塑-弹-塑类型，达到屈服应力后，高水材料将不会迅速产生塑性破坏，峰值前应变可达到2.0%～4.5%。同时高水材料是由甲料浆与乙料浆组合而成，且甲料浆、乙料浆单独与水混合24h不凝结，但通过高水材料双路水力充填工艺系统后，甲料浆和乙料浆相互混合则快速凝结硬化。

2 95215综采工作面生产地质条件

95215综采工作面位于-1025m水平西一下山采区东翼，西翼为95214综采工作面采空区，浅部为95213综采工作面采空区，深部为9煤未采区。95215皮带顺槽正上方为未采区，95215工作面平均走向长度680m，工作面长180m，该工作面平均采高3.2m，煤层平均倾角9°。

顶板岩性为：基本顶为细砂岩，厚度为10.9m，硬度为4；直接顶为细砂岩，厚度为1.8m，硬度为4。

底板岩性为：直接底为泥灰岩，厚度为0.4～1m，硬度为3.0；基本底为砂岩互层，厚度为22.5～27.4m，硬度为 3.5。

3 沿空留巷支护设计

95215综采工作面皮带顺槽切眼下出口，留巷长度约530m，留巷宽度为4.6m。工作面皮带顺槽巷道高度为3m，实际回采过程中，刮板输送机机头采高控制在2.8m。根据该工作面顶底板岩层情况，通过理论计算并参考以往的工程实践，初步确定高水材料水灰比为1.6:1（即1kg高水材料加1.6kg水）、巷旁充填体宽度为2.0m。充填体建模加固材料为：点焊金属网Φ6.5mm圆钢加工，对拉钢筋为Φ22mm×2400mm高强度螺纹钢、Φ12mm×2400mm钢筋梯子梁。工作面皮带顺槽沿空留巷加强支护平面图如图2所示。

3.1 留巷巷内顶板加强支护

（1）距充填体0.9m、距实煤体1.35m处沿巷道走向各扶1排铰接顶梁支护，使用3.15m单体液压支柱配合1m铰接顶梁。

（2）超前工作面距工作面侧煤壁0.4m处沿巷道走向施工一排锚索对巷道顶板进行补强支护，锚索规格为Φ18.9mm×5300mm，间距1800mm。

3.2 充填区域上方顶板支护

采煤机机头割通后，对1#～4#液压支架前梁处顶板进行“锚、网、梁”联合支护。铺设2卷3000mm×1000mm的金属卷网，Φ12mm×3200mm钢筋梯子梁，每排施工5根Φ22mm×2400mm锚杆，锚杆间排距为900mm×900mm，第一根锚杆距皮带顺槽原巷道上帮150mm。

图2 工作面皮带顺槽沿空留巷加强支护平面图

3.3 支架后方采空区支护

（1）当工作面开始回采后，随着工作面液压支架的前移在支架后方使用3.15m单体液压支柱配合1m铰接顶梁扶两排走向金属铰接顶梁架棚，迈步支护。架棚单体液压支柱距1m，架棚之间排距0.3m。两排架棚迈步向前打扶。待充填体与密集点柱之间留设不小于0.8m的工作空间。

（2）当工作面开始回采后，随着支架的前移在支架后方扶两排走向点柱支护顶板，也为充填体建模做准备工作。在原巷帮位置打扶一排点柱，点柱间距1m。两排点柱之间排距为2.0m。每排四棵单体打完后，开始施工充填体加强支护，如图3所示。

（3）在1#液压支架后方施工1根Φ18.9mm×5300mm锚索，间距1800mm，对施工充填体工作区域顶板补强支护。

图3 支架后方加强支护剖面图

3.4 充填体加强支护

（1）充填体加固方案：对拉锚杆采用Φ22mm×2400mm螺纹钢两端各车丝200mm，间排距为800mm×800mm，最下面1根距底板200mm，最上面1根距顶板200mm。每排用一根Φ12mm×2400mm的钢筋梯子梁，金属网采用Φ6.5mm圆钢加工，网孔不大于100mm×100mm。95215综采工作面充填体加固示意图如图4所示。

（2）提前扶好液压单体支柱，支柱间距不大于1m，支柱紧贴充填体空间边缘打扶。将充填袋挂好并固定，充填袋与金属网之间、金属网与单体之间、金属网与梯子梁之间用不小于10#铁丝捆紧。

图4 95215综采工作面充填体加固示意图

4 充填体受力及留巷效果分析

4.1 充填体受力分析

煤层回采打破了围岩的初始应力平衡，应力场重新分布。随着工作面不断地向前推进，形成了“煤壁—已冒落矸石”的支撑体系。鉴于上覆岩层的垮落多形成应力拱结构，因此煤壁的一端以及采空区的后方将承受采空区上方裸露岩石的大部分重量。根据现场充填体载荷数据表明：在工作面后方10～20m间载荷较小，低于50kN，属于卸压区范围；20～60m间随工作面逐渐向前推进，对拉锚杆载荷逐渐升至最大值165kN，属于应力集中区范围；110m后顶板岩层已经逐渐稳定，锚杆载荷逐渐降至100kN并稳定下来。充填体液压枕观测数据显示，对拉锚杆所承受载荷总体较大，最大值为156kN。

4.2 留巷效果分析

工作面的回采作业也将引起上覆岩层运动，该运动是自下而上发展的，具有明显的滞后现象。因此在工作面后方110m以外顶板下沉趋向稳定，顶板最大下沉量小于300mm，巷道变形以底鼓为主。相邻工作面回采前集中卧底施工，不会影响生产。同时由于整体浇注巷旁充填技术以及巷内支护技术的应用，使得留巷两帮移近量不大于500mm、顶底板移近量不大于1200mm。