宋光远 冉德旺 郑帅亮

（1.徐州中矿大贝克福尔科技股份有限公司，江苏 徐州 221116；2.山西中矿充填科技有限公司，山西 长治 046699；3.山西高河能源有限公司，山西 长治 046100）

高河能源为解决“三下”压煤和矸石外排问题，于2020 年成功投产了E1302 膏体充填工作面。高河能源开采3 号煤层平均厚度为6.38 m，为厚煤层。为保证充填开采的安全、有效，E1302 膏体充填工作面采用分层开采，先开采上分层，为方便下分层工作面的充填开采，采用沿空留巷无煤柱护巷。为了探明膏体充填工作面沿空留巷矿压显现规律，并为后续膏体充填工作面的开采提供指导，对E1302膏体充填工作面的覆岩运动规律和沿空留巷围岩变形进行了观测分析。

1 工作面概况

E1302 膏体充填工作面为东一盘区工作面，东边距矿井边界185 m，为未采区，西边为E1303 工作面采空区，南边为E1302 放顶煤工作面采空区，北边为+450 m 水平东翼大巷。工作面走向长度为390 m，倾向长度为230 m，底板标高+466.558～+499.138 m，埋藏深度为404.662～425.220 m。3 号煤层距9 号煤层平均距离59.9 m，煤层厚度较稳定（局部出现煤层厚度增加、倾角变大现象），煤厚6.2～7.5 m，平均厚度6.38 m，煤体普氏硬度系数f=0.7，该工作面内煤层倾角3°～15°，工作面平均角度8°。3号煤层顶板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，局部为砂岩；底板为黑色泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩砂岩，详见表1。

表1 3 号煤层顶底板特征表

E1302 膏体充填工作面，采用矸石膏体进行充填，工作面和两端头用充填支架进行隔离，工作面两道顺槽均做沿空留巷处理，巷道内支护方式为巷道掘进期间的锚杆锚索支护。

2 膏体充填工作面覆岩运动分析

膏体充填开采与普通综采相比最大的不同点就是两种开采方法对采空区顶板控制方式的不同[1-2]。两种开采方法的覆岩运动情况如图1 和图2。

如图1 所示，普通综采垮落法开采时，随着工作面的不断回采，直接顶直接垮落，而基本顶会先形成一种悬臂梁的结构，当其悬露的长度达到一定值后，其自身的强度不能支撑其自重以及上覆岩层传递的力，进而发生周期性断裂。因为周期来压的影响，采空区上方会形成明显的垮落带、裂隙带和弯曲下沉带三带特征，进而影响地表，使地表发生明显的弯曲下沉。同时，周期来压发生时，矿山压力突然增大，加大巷道变形的程度，对沿空留巷影响较大[3-4]。

图1 普通综采垮落法采空区覆岩运动情况

如图2 所示，膏体充填开采时由于采用质地紧密的矸石膏体对采空区进行充填，相当于使用矸石膏体替代煤层支撑上覆岩层，使直接顶没有了垮落空间，进而直接顶及其上覆岩层不会再进行垮落，与普通综采垮落法相比，不会形成明显的三带特征，可以使地表得到有效的保护。同时，由于矸石膏体有效支撑了采空区顶板，采煤工作面不会产生明显的周期来压现象，矿山压力显现不剧烈，改变了传统综采垮落法的“煤-岩”受力结构，减少了巷道变形程度，使沿空留巷得到了有效的保护。

图2 膏体充填开采采空区覆岩运动情况

3 矿压监测分析

3.1 矿压监测方案

为了研究膏体充填工作面沿空留巷的巷道围岩变形规律，在E1302 膏体充填工作面进风顺槽沿空留巷依次布置5 个测站，测站与工作面距离分别为10 m、20 m、30 m、40 m、50 m。随着工作面的不断推进，持续对测站进行了20 次观测。主要观测内容为各个测站的顶底板移进量和两帮移进量，在每个测站的顶、底板和两帮的中部各布置1 个测点。采用“十字测量法”，用测杆或钢尺进行量测，分别测量OA、OB、OC、OD 的距离，求得顶底板相对移近量、两帮的相对移近量[5]。

3.2 矿压监测结果处理分析

选取1#测站的数据对其顶底板移进量和两帮移进量以及移进速度进行处理分析，得到E1302 膏体充填工作面进风顺槽沿空留巷围岩变形量和变形速度结果如图3 和图4。

图3 沿空留巷围岩变形图

图4 沿空留巷围岩变形速度图

由图3 和图4 可以看出，膏体充填工作面沿空留巷的变形可以按照四个阶段进行划分，即第一阶段（缓慢变形阶段）、第二阶段（急剧变形阶段）、第三阶段（衰减变形阶段）、第四阶段（稳定变形阶段）。

在缓慢变形阶段，由于此时距离工作面比较近，在22 m 范围内，此时采空区的上覆岩层由工作面煤壁、充填液压支架以及刚刚初凝后的膏体共同承载，除此之外基本顶仍然可以维持自重和上覆岩层的重量不会发生断裂。以上因素共同阻止了上覆岩层的离层垮落，所以此阶段沿空留巷只有微小变形。

在急剧变形阶段，随着工作面继续往前推进，采空区上覆岩层全部由充填体支撑。由于推进距离的增加，工作面会有轻微的周期来压现象。随着基本顶出现断裂，矿山压力显现，充填体被压缩，沿空留巷出现明显变形现象，巷道顶板下沉，底板底鼓，两帮内挤剧烈，顶底板移进速度和两帮移进速度最大值均达到了3 mm/d。

在衰减变形阶段，周期来压结束，上覆岩层活动重新趋于稳定状态，与此同时矸石膏体逐渐凝固，具有了一定的单轴抗压强度，对上覆岩层的承载力有了进一步的增强，因此沿空留巷变形速度出现逐步下降。

在稳定变形阶段，矸石膏体已经彻底凝固达到设计的抗压强度，此时距离工作面已经超过50 m的范围，充填体上覆岩层不再出现剧烈运动，此时充填体和上覆岩层构成了一个稳定的整体，因此沿空留巷的变形速度趋于平稳并保持在较低的数值，顶底板和两帮移进速度最大值均不超过1 mm/d。

3.3 充填体应力数值模拟分析

为了揭示充填体内的应力分布对沿空留巷围岩变形的影响，采用FLAC3D数值模拟软件对距切眼300 m 处工作面的应力分布情况进行分析研究，从而分析该阶段工作面应力分布。此时工作面的东侧、西侧和北侧（工作面前方）三侧均为实体煤，工作面后方为充填体，如图5。

图5 工作面俯视应力云图

从图5 可以看出，充填体内部的应力分布随着工作面的推进可以明显地分为三个阶段：初始应力阶段、应力升高阶段和应力平稳阶段。在初始应力阶段，由于采空区上覆岩层由充填体、充填支架和基本顶共同作用，充填体受力较小。在应力升高区，由于工作面前移，上覆岩层发生运动，充填体独自支撑所有岩重，充填体逐渐被压实，应力随之升高。在应力平稳区，充填体被彻底压实，可以长期保证上覆岩层稳定，应力处于平稳阶段。充填体应力变化和沿空留巷围岩变形基本一致，因此膏体充填对沿空留巷有着积极的作用。

4 结论

（1）膏体充填和普通综采垮落法相比，由于矸石膏体代替煤炭支撑了上覆岩层，不会出现明显周期来压显现，对沿空留巷的实施提供了有力的支持。

（2）膏体充填工作面沿空留巷围岩变形大致分为四个阶段即缓慢变形阶段、急剧变形阶段、衰减变形阶段和稳定变形阶段。在巷道急剧变形阶段即距离工作面25～35 m 的范围内要加强支护。

（3）膏体充填工作面沿空留巷，顶底板移进量和移进速度整体大于两帮移进量和移进速度，巷道围岩变形量较小，充填体对沿空留巷起到了积极的保护作用。