深部矿井综采工作面巷旁充填留巷技术研究

2021-11-20冯志龙

山西能源学院学报 2021年5期

冯志龙

【摘要】深部矿井普遍存在采掘接替紧张局面，将沿空留巷技术应用到深部矿井中可在一定程度上提高矿井煤炭开采效率以及安全保障能力。文章以13207综采工作面回采为工程实例，提出使用巷帮充填留巷技术将回风巷保留下来为邻近采面服务，依据开采煤层实际情况对充填留巷施工方案进行设计，现场应用后充填留巷段围岩取得较好控制效果，巷道可满足采面煤炭开采需要的同时在经济以及安全性方面均取得较好效益。研究结果表明：1）巷旁充填留巷技术应用过程中通过超前补强锚索降低采动压力给留巷段顶板影响，降低了留巷段顶板下沉量;2）充填留巷过程中通过合理确定添加剂使用量实现了混凝土长距离泵送，从而满足长距离留巷需要，充填段顶板锚网索以及充填墙体等共同作用可实现留巷段顶板的有效控制，使用掩护支架可为充填留巷作业提供相对安全环境;3）采用膜袋进行巷旁充填可适应井下复杂环境，同时在采空区内无需施工模板，提高了充填效率以及安全保障能力。研究成果可为其他矿井类似条件下充填留巷工作开展提供经验借鉴。

【关键词】深部开采;沿空留巷;巷旁充填;围岩控制

【中图分类号】 TD353 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）05-0001-03

沿空留巷可提升煤炭开采效率并可缓解矿井采掘接替紧张局面，具有显著的经济效益。为充分发挥巷旁充填留巷技术优势，应重点解决下述两个方面内容：巷旁充填体应具有较强的可靠性，除提供足够的支护阻力外还应适应顶板岩层压力变化，不容易出现变形以及漏风等问题;巷旁充填施工应现代化，满足采面快速推进回采需要。为此，文中以山西某矿13207综采工作面回风巷巷旁充填沿空留巷为工程背景，对巷旁充填留巷技术进行探討。

1 工程概况

1.1 地质条件

13207综采工作面底板埋深平均为820m，属于深部开采范畴，主采13#煤层，煤层厚度3.6m、倾角5°，赋存稳定，煤层原始瓦斯含量10.5m3/t，自燃发火倾向性为I类，发火周期最短为30d。13207综采工作面设计走向推进1603.5m、倾向斜长180m，开采高度平均3.6m。13#煤层顶底板岩性以泥岩、细砂岩为主，具体见表1。

1.2 巷道原支护方案

13207回风巷为矩形断面（净宽×净高=5.0m×3.6m），采用锚网索支护方式，具体支护参数为：顶板采用螺纹钢锚杆（φ20mm×2400mm）、钢带（宽×长=80mm×4800mm）、金属网（网孔50mm×50mm）以及锚索（φ17.8mm×6200mm）联合支护。顶板锚杆每排6根，间距900mm、排距1000mm，靠近巷帮的两根顶锚杆外插30°角、其余垂直顶板;顶板锚索每排5根，靠近巷帮的两根锚索外插30°。巷帮用螺纹钢锚杆（φ20mm×2400mm）、金属网（长×宽=2000mm×1000mm）、钢带（宽×长=80mm×100mm）进行支护，巷帮每排布置5根锚杆且均垂直布置。

2 巷旁充填留巷关键技术

2.1 缓凝早强混凝土

受到井下空间、巷旁充填位置等诸多因素制约，充填混凝土需要进行长距离泵送，因此需要混凝土具有一定缓凝性;为了及早实现充填体对顶板支撑，承受顶板压力，使用的混凝土应具备一定的早强特征。现阶段一般通过各种添加剂来调整混凝土特性，从而达到现场泵送以及灌注需要。在13207回风巷留巷前即通过试验合理确定添加剂使用量，确保混凝土在12h内抗压强度即可达到5.8MPa以上，24h强度可达到10MPa以上。在巷旁充填24h即可前移掩护支架。

2.2 充填材料远距离泵送

13207综采工作面平均推进速度为4.0m/d，推进速度较快，而回风巷留巷充填工序复杂、需要材料多、辅助运输工作量大，若充填、施工或者其他任一环节出现问题均会制约采面推进。由于巷旁充填施工点空间狭小，而混凝土上料、搅拌等均需要较大的空间，为此将巷旁混凝土充填、混凝土搅拌等分开进行，避免工序相互干扰。搅拌完成后的混凝土使用专用管道、混凝土泵进行泵送。充填材料远距离泵送即可满足巷旁充填需要、降低巷旁充填对采面生产影响，而且可减少充填点作业人员数量。

2.3 顶板补强加固

为确定巷旁充填施工点顶板岩层稳定，采用锚索超前采面对回风巷顶板进行补强支护;在采面后方使用掩护支架为充填段顶板锚杆、锚索以及金属网等铺设提供相对安全环境，具体见图1所示。在充填段顶板锚网索、充填混凝土等综合作用下确保留巷段顶板岩层稳定。

3 巷旁充填留巷技术方案

根据前文分析成果，提出使用顶板强化支护、巷旁胶结体充填相结合方法对留巷段围岩进行控制。具体13207回风巷顶板补强支护以及充填布置见图2所示。

3.1 顶板补强支护

13207回风巷在原有支护基础上，超前采面50m使用锚索补强支护。具体补强使用的锚索规格为φ17.8mm×6200mm，沿着巷道纵向布置2排，间距2000mm、排距950mm;两排锚索距离采空区巷帮间距分别控制在450mm、1400mm。补强支护的锚索采用由GDII140/20钢带制作的锚索梁进行连接。

在巷旁充填体顶板上覆采用锚杆、锚索支护，支护参数与巷道顶板原支护参数一致。

3.2 巷旁充填

3.2.1巷旁充填方案

巷旁充填使用的膜袋沿着巷道纵向方向长3000mm、深入到采空区内4100mm、最大充填高度为4000mm。在采空区帮一侧采用木柱、单体通过交错布置进行护巷，木柱、单体交错间距控制在500mm;在距离采空区帮800mm位置按照1500mm间距布置一排单体。将膜袋悬挂到充填段顶板金属网上，并向膜袋内灌注充填材料，充填材料中矸石、水泥、水、粉煤灰配比为69∶9∶20∶2。胶结后充填袋内充填体抗压强度可达到4MPa以上。

3.2.2充填工艺

每班安排一组人员进行巷旁充填工作，具体巷旁充填工艺流程为：地面水泥、破碎矸石运输井下→混凝土搅拌制作→混凝土泵送→膜袋充填。在综合考虑充填材料运输、搅拌空间、管道铺设以及通风排水等后，决定在13207工作面邻近的13209开切眼内布置混凝土泵站，具体充填路线见图3所示。

4 留巷效果分析

留巷段围岩变形监测结果见图4所示。

从图4中看出，随着测点滞后采面距离增加，充填留巷段巷道围岩变形呈现缓慢变形、快速增加以及基本稳定等三个阶段。第一阶段为在滞后采面10m范围，此阶段内巷道围岩变形整体较小;第二阶段为滞后采面60m范围内，在此阶段顶板、巷帮变形量均快速增加，在本阶段后期随着与采面距离增加，顶板、巷帮变形量增加速度也明显降低，此阶段顶板、巷帮变形量分别为300mm、230mm;第三阶段为滞后采面60m以外范围，此阶段随着与采面距离增加围岩变形量基本保持稳定。在13207回风巷采用巷旁充填、頂板补强支护等方式后，可满足留巷段围岩控制需要，最终留巷段断面可达到原巷道断面88%以上，可满足后期通风、行人等需要，取得较好留巷效果。

13207工作面从2020年1月开始进行回采、回风巷充填留巷工作，至同年12月回风巷留巷工作结束，其间共留巷长1530m，留巷段每米可直接创造经济效益约8000元，通过留巷总体可获取至少1200余万元经济效益。

5 结论

采用缓凝早强混凝土作为充填材料构筑混凝土墙，具体充填材料中矸石、水泥、水、粉煤灰配比为69∶9∶20∶2，将膜袋作为巷旁充填模板，提高充填安全性以及施工便捷性。同时，采用锚索对巷道顶板进行补强，采面后方留巷段作业人员均在掩护支架掩护下工作，安全系数较高。

现场应用后，巷旁充填留巷可满足采面快速回采需要，留巷段顶板、巷帮变形量分别控制在305mm、239mm以内，留巷段断面达到原巷道断面88%以上;13207回风巷留巷长度共计1530m，实现了长距离留巷目标，同时矿井通过充填留巷可获取至少1200万元经济效益。

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