大埋深综采工作面高水充填沿空留巷技术研究_牛清海.pdf

大埋深综采工作面高水充填沿空留巷技术研究牛清海（冀中能源峰峰集团有限公司 梧桐庄矿，河北 邯郸 056011）摘要：沿空留巷技术在提高煤炭回收效率、缓解采掘衔接紧张和改善工作面通风系统等方面具有显著优势，与其他巷帮充填相比，高水充填材料具有凝固时间短、早期强度高、增阻速度快、纵向变形能力大等优点。以梧桐庄矿 182605下工作面为工程背景，对沿空留巷巷道顶板加强支护，以保证巷道顶板的整体性和稳定性；巷道顶板打设切缝眼提前进行爆破卸压释放顶板能量，实现沿空切顶；利用沿空留巷巷帮力学模型，结合 182605下工作面实际生产地质条件和煤岩体力学参数，可得巷帮最小工作阻力为 7.2 MN/m；利用试件进行力学性能测试，可得高水材料水灰比与试件单轴抗压强度二者之间表现为反比关系，从充填体强度、现场操作和经济效益等综合考虑，得出高水材料水灰比为 1.81；根据现场巷道围岩观测分析可知，工作面后方可分为缓慢变形区、显著变形区和变形稳定区。182605下工作面高水材料沿空留巷的成功实践，取得了良好的技术经济效益和社会效益，具有一定的推广应用价值。关键词：大埋深；高水充填；沿空留巷中图分类号：TD353文献标识码：B文章编号：2095-5979（2023）05-0023-05Research on gob-side entry retaining technologywith high water material filling in large depthfully mechanized mining faceNiu Qinghai(Wutongzhuang Mine,Jizhong Energy Fengfeng Group Co.，Ltd.，Handan 056011，China)Abstract：Gob-side entry retaining technology has significant advantages in improving coal recovery efficiency,alleviatingthe tension ofminingconnection and improvingthe ventilation system ofworking face.Compared with other roadway filling,high water fillingmaterial has the advantages ofshort solidification time,high earlystrength,fast resistance increasingspeedand large longitudinal deformation ability.Taking the 182605 lower working face ofWutongzhuang Mine as the engineeringbackground,the roof of the gob-side entry retaining roadway was strengthened to ensure the integrity and stability of theroadway roof.The roof of the roadway was cut in advance to release the roof energy by blasting pressure relief,so as torealize the roof cutting along the goaf.Using the mechanical model of gob-side entry retaining,combined with the actualproduction geological conditions of the working face under 182605 and the mechanical parameters of coal and rock mass,the minimumworkingresistance ofthe roadwaywas 7.2 MN/m.Through the mechanical properties test ofthe specimens,itwa concluded that the water-cement ratio of high water material was inversely proportional to the uniaxial compressivestrength of the specimens.Considering the strength of the filling body,field operation and economic benefits,thewater-cement ratio of high water material was 1.8:1.According to the observation and analysis of the surrounding rock ofthe roadway on site,the rear of the working face was divided into slow deformation zone,significant deformation zone andstable deformation zone.The successful practice of gob-side entry retaining with high water material in under 182605working face had achieved good technical and economic benefits and social benefits,and had certain popularization andapplication value.Key words：large burial dept;high water material filling;gob-side entryretaining责任编辑：任伟DOI：10.19286/ki.cci.2023.05.007作者简介：牛清海（1970），男，河北邯郸人，采煤工程师。引用格式：牛清海.大埋深综采工作面高水充填沿空留巷技术研究J.煤炭与化工，2023，46（5）：23-27.采 矿 与 井 巷 工 程Coal and Chemical Industry煤 炭 与 化 工Coal and Chemical Industry第 46 卷 第 5 期2023 年 5 月Vol.46 No.5May 202323煤炭与化工2023 年第 5 期第 46 卷沿空留巷技术是常用的无煤柱护巷技术之一，在提高煤炭回收效率、缓解采掘衔接紧张和改善工作面通风系统等方面具有显著的优势1-3。康红普在沿空留巷方面构建了力学模型及围岩与支护作用关系；分析沿空掘巷围岩结构特征、围岩变形的主要影响因素及沿空掘巷围岩控制技术4。沿空留巷中巷旁充填结构一直是研究的重点，其先后经历了木垛、单体液压支柱、混凝土、钢管混凝土等阶段，与其他巷帮充填相比，高水充填材料具有凝固时间短、早期强度高、纵向变形能力大等优点，近年被广泛应用5-8。李波和孟晓强均对高水充填沿空留巷进行研究，分别重点分析了充填材料抗压强度与水灰比的关系及高水充填体宽度对沿空留巷效果进行验证9-10。本文以梧桐庄矿 182605下工作面为背景，182605 地区是 20222023 年梧桐庄矿主采地区，经多次优化分为 182605下、182605 两个工作面依次回采，为保证工作面之间顺利衔接，决定在182605下与 182605 工作面之间实施高水充填沿空留巷。沿空留巷主要方式为加强支护+超前切顶卸压+高水充填联合支护。1概况此次设计中，需要沿空留巷的巷道为 182605下工作面运料巷，该段巷道埋深超过 800 m，属于大埋深煤层，该工作面沿 2 号煤层走向布置，沿空留巷工程量长度为 640 m。沿空留巷位置如图 1 所示。182605下工作面 2 号煤煤层厚度 3.03.9 m，平均厚度 3.3 m。直接顶为粉砂岩，厚度 5.71 m，深灰色，含较多的黄铁矿及苛达特植物化石。老顶为中粒砂岩，厚度 3.3 m，灰色，斜层理及微波状水平层理发育间夹合铁砂石。直接底底板为粉砂岩，厚度 2.4 m，灰黑色，性脆，致密。老底为细粒砂岩，厚度 8.9 m，深灰色，以石英为主，含少量白云母及黑色矿物，泥质胶结，具微波状层理。2超前加固和切顶卸压爆破设计2.1巷道超前加固设计切顶卸压前，对 182605下运料巷顶板进行锚网索支护，打设加强锚索配合 3 m 长 16 号槽钢对顶板进行加固支护，加强锚索选用21.8 mm，L11 000 mm钢绞线。垂直巷道方向与原锚索支护交替布置，排距为1 m；顺巷道方向布置 2 趟锚索槽钢，一趟布置在距采空区侧 1.2 m 位置，另一趟布置在距上帮 0.5m位置，槽钢梁头密切对接。通过巷道超前加固加强锚索，使锚索锚固到稳定的岩层中，利用加强锚索拉住上覆岩层基本顶，对巷道顶板加强支护以保证随后预裂顶板、切顶时不影响自动形成的巷道质量。2.2巷道切顶卸压爆破设计采用双向聚能爆破预裂技术，超前工作面 50m爆破切顶。（1）根据以往切顶卸压沿空留巷经验，合理预裂切缝深度（H缝）设计一般大于 2.6 倍采高。即：式中：H煤取 3.3 m。则 H缝8.6 m。（2）根据采高、顶板下沉量及底鼓量计算。式中：H1为顶板下沉量，取 0.025 m；H2为底臌量，取 0.025 m；k 为碎胀系数，1.2 1.5，取1.25；H煤取 3.3 m。则 H缝=13 m。综合考虑上述计算结果，预裂切缝孔深度设计为 H缝=13 m。炮孔距离帮 100 mm，与铅垂线夹角为 15，切缝孔间距为 600 mm。双向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外径为 42 mm，内径为 36.5 mm，管长 1 500 mm。聚能爆破采用三级煤矿乳化炸药，炸药规格为32 mm300 mm/卷，爆破孔口采用炮泥封孔。聚能管安装于爆破孔内，每孔 6 根聚能管，采用 3+2+2+2+2+2 的装药方式。切缝眼爆破效果如图 2 所示。利用切缝钻机施工，对巷道顶板进行切顶爆图 1沿空留巷位置Fig.1 The positions ofgob gob-side entryretainingH缝2.6 H煤（1）H缝=（H煤-H1-H2）/（k-1）（2）图 2切缝眼爆破效果Fig.2 The blastingeffect ofslit holes182605 工作面沿空留巷182605下工作面沿空留巷242023 年第 5 期破，切顶高度范围超过基本顶，并对顶板提前进行能量释放，在顶板形成裂缝；利用工作面顶板来压实现沿空切顶，保证巷道顶板切落下来，切落的顶板形成巷帮。3高水材料充填设计与其他的巷旁充填技术相比，高水材料充填体具有凝固时间短、早期强度高、增阻速度快、纵向变形能力大等优点，能紧随工作面的回采进度及时形成充填体并支护顶板，与巷道原支护共同作用，控制巷道的围岩变形，确保巷道围岩的稳定性，所以确定高水充填体强度至关重要。高水材料充填体强度、凝固速度与水灰比有直接关系，通过沿空留巷巷帮力学模型，进行理论计算得到高水材料充填体强度；利用试件力学性能测试分析，综合考虑得到高水材料充填体水灰比。3.1巷旁支护阻力的理论计算沿空留巷巷旁充填支护结构的承载力决定着沿空留巷的效果。本文建立图 3 的理论模型11-12，假设 182605下运料巷高水充填沿空留巷需要的最小巷旁阻力为 Pq。式中：Pq为沿空留巷巷旁支护体切断弧形三角块时的工作阻力，N；ML为采空区侧上覆基本顶岩层发生断裂前的最大弯矩，N m；c为采空区侧受到的剪切力，N；q 为单位长度上覆岩层自重力对直接顶的作用，N/m；为工作面煤层倾角，（）；L 为 BC 岩块长度，m；Xo为应力极限平衡区宽度，m；C 为沿空留巷实际宽度，m；d 为设计支护体宽度，m；qo为单位长度的直接顶自身质量，kg/m；qy为沿空留巷下侧煤体支撑压力，N/m；x为直接顶断裂位置距实体煤帮的距离，m；Fc为沿岩层方向的推力，N；h 为工作面与基本顶之间的距离，m；SB为上覆基本顶岩层第二次断裂时，B 端的下沉量，m；Mo为基本顶三角块结构断裂后的残余弯矩，N m。结合 182605下工作面运料巷实际生产地质条件和煤岩体力学参数，采用上述计算公式，得到所需的最小巷旁支护阻力为 7.2 MN/m。3.2力学性能测试分析为了保证 182605下工作面沿空留巷最小巷旁支护阻力不小于 7.2 MN/m。从满足高水材料沿空留巷强度为 8 MPa、现场操作和材料成本等综合方面考虑，需要通过试件力学性能测试，得到最佳的高水材料水灰比。准备 5 组测试试件，每组为 3 个试件，水灰比例分别为 1.51、1.81、2.01、2.21、2.51；上述 5 组测试试件凝固时间均为 7 d。3.2.1试件准备及测试内容测试前对试件受压接触面进行加工，保证接触面平整度小于 0.02 mm。原始高水材料试件水灰比1.81。测试内容为不同水灰比试件的单轴抗压强度及试件宏观破坏特征。3.2.2测试设备及方法试验设备由岩石刚性试验机和声发射设备组成。加载设备采用 KYAG-600 型微机控制岩石刚性试验机。单轴压缩试验采用位移控制，加载速率为 0.005 mm/s。3.2.3测试结果分析基本参数测定结果，如图 4 所示。根据 5 组测试试件单轴抗压强度数值，可知高水材料的抗压强度与水灰比有直接关系，二者之间表现为反比关系，即当高水材料水灰比比值越大时，对应的单轴抗压强度就会减小。利用二者之间的关系，在一定范围内，通过调整水灰比来改变抗压强度，从而满足梧桐庄矿 182605下工作面地质条图 3沿空留巷力学模型Fig.3 Mechanical model ofgob-side entryretaining图 4单轴抗压强度与水灰比关系Fig.4 The relationship between uniaxial compressivestrength and water-cement ratioPq=ML+(c+qlcos)(xo+c+d)+12(q+qo)(xo+c+d)2cos-xooqy(xo-x)d-(Fc+qlsin)(h-SB)-Mo-qsin(xo+c+d)(h2-SB)/(xo+c+d2)煤体巷道巷旁支护体12108642单轴抗压强度/MPa1.41.61.82.02.22.42.6水灰比M0FAAx0cdAPqqyq0qcoscosBqsinCFCCFBFBBMLl（3）牛清海：大埋深综采工作面高水充填沿空留巷技术研究25煤炭与化工2023 年第 5 期第 46 卷件下对沿空留巷巷旁支护强度的要求。综上所述，为了满足 182605下工作面沿空留巷对巷旁充填体的抗压强度要求（8 MPa），同时考虑到水灰比过大导致输浆管路发生堵塞和经济效益，确定高水速凝材料的水灰比为 1.81。试件受压破坏特征如图 5所示。4工程实践通过建立力学模型理论计算和力学性能测试，分别得出高水材料充填体需要达到强度为 8 MPa，水灰比为 1.81，能够保证该沿空留巷具有足够的强度。为提高沿空留巷的效果，在构筑高水材料巷旁充填时，采用图 6 的辅助加强支护技术措施。超前工作面不小于 50 m 打设 4 排液压点柱配合短梁和十字梁做为超前支护。为进一步验证高水材料沿空留巷效果，对留巷巷道进行围岩变化观测，每间隔 10 m 建立 1 个观测点，每 3 d 观测 1 次，利用十字观测法，主要观测内容为顶底板移近量、两巷收敛量；取距工作面初采位置分别为 0、20、40 m三个位置，当工作面回采 220 m 时，3 个位置围岩变化情况如图 7图9 所示。当工作面回采 40 m 时，伴随工作面的回采推进，累计变形量先增大后保持稳定，由此将沿空巷道的围岩变形划分成缓慢变形区、显著变形区和变形稳定区。缓慢变形区为工作面后方 0 40 m，由于煤层被采出，沿空巷道顶板岩层发生旋转变形、下沉断裂，但由于前期超前加固和切顶预裂爆破作用，此段表现出顶底板移近量和两帮收敛量缓慢变化，其中顶底板移近量为 100120 mm、两帮收敛量为4050 mm；表明了 182605下工作面周期来压步距为 3040 m。显著变形区为工作面后方 40120 m，由于顶板来压、顶板断裂加剧、点柱和充填体存在一定的压缩变形，导致围岩变形较为剧烈，此段表现出顶底板移近量和两帮收敛量显著变化，其中顶底板移距工作面距离/m图 5试件受压破坏特征Fig.5 Failure characteristics ofspecimenunder compression tests图 6沿空留巷示意Fig.6 Schematic diagramofretainingroadwayalonggoaf图 7距初采 0 位置巷道变形量Fig.7 Roadwaydeformation at 0 meters frominitial mining图 8距初采 20 m位置巷道变形量Fig.8 Roadwaydeformation at 20 meters frominitial mining图 9距初采 40 m位置巷道变形量Fig.9 Roadwaydeformation at 40 meters frominitial mining350300250200150100500累计变形量/mm0-20-40-60-80-100-120-140-160-180-200-220距工作面距离/m两帮收敛量顶底板移近量350300250200150100500原巷道轮廓线留巷后巷道轮廓线沿空留巷施工位置原巷道轮廓线采空区液压支架回采工作面煤壁区累计变形量/mm0-20-40-60-80-100-120-140-160-180-200两帮收敛量顶底板移近量350300250200150100500累计变形量/mm两帮收敛量顶底板移近量距工作面距离/m0-20-40-60-80-100-120-140-160-180262023 年第 5 期从图 8 中可以看出，巷道顶底板及两帮在巷道采后 10 d 内的变形速度最快（每日掘进约 10 m，即距离工作面约 100 m）。前 10 d 两帮变形量达到13 cm，顶底板变形量达到 8 cm，后期变形速度逐渐趋于平缓，说明无墙体沿空留巷旁切顶组合支架的设计满足安全回采的要求。4.3应用情况及效益老母坡煤业自建矿以来，2 号煤层、3 号煤层均采用了无煤柱连续开采，已连续开采 20 余个工作面，采取煤炭资源回收率达 90以上，经济效益显著。现主要开采 5 号煤层，综合运用理论分析、现场试验手段，进行了 5 号煤层围岩力学性能评估，对支护方案及沿空留巷方案进行了优化，使得沿空留巷在软岩顶底板条件下成功实施。老母坡整体巷道的支护材料支护规格，施工质量均符合现代化标准矿井的施工规范。该项目的成功实施为类似地质条件下沿空留巷应用提供重要借鉴。截止2022 年，5 号煤层累计留巷 3000 多米，多回收煤炭资源 4 万余 t，创造经济效益近 3 千万元。5结论本文以老母坡煤业 5101 工作面为例，通过对支护方案及沿空留巷方案的优化得出以下结论。（1）对巷道锚杆、锚索支护及沿空留巷方案近量为 300320 mm、两帮收敛量为 200220mm。变形稳定区为工作面后方 120 m之外，沿空巷道基本顶已经相对稳定，上位岩层的弯曲断裂对沿空巷道围岩的影响逐渐减弱，围岩变形速度放缓，达到稳定状态，此段表现出顶底板移近量和两帮收敛量显著变化，其中顶底板移近量为 330350mm、两帮收敛量为 260280 mm。182605下工作面高水材料沿空留巷的成功实践，取得了良好的技术经济效益和社会效益，具有一定的推广应用价值。实践证明，高水材料充填墙体强度满足需要，留巷的顶板、巷帮均变形较小，达到工作面沿空留巷的目的。5结论（1）利用加强锚索对沿空留巷巷道提前进行超前加固，对巷道顶板加强支护，保证巷道顶板的整体性和稳定性。打设切缝眼对沿空留巷提前进行切顶爆破卸压，聚能爆破装置超前预裂顶板，提前释放顶板能量，在顶板形成裂缝，利用工作面周期来压实现沿空切顶。（2）利用沿空留巷巷帮力学模型，结合182605下工作面沿空留巷实际生产地质条件和煤岩体力学参数对巷帮强度进行理论计算，可得巷帮最小工作阻力为 7.2 MN/m时，可满足沿空留巷需求。（3）利用试件进行力学性能测试，可得高水材料的单轴抗压强度与水灰比之间表现为反比关系，即当高水材料水灰比比值越大时，对应的单轴抗压强度就会减小；为满足高水材料充填体强度为8 MPa、注浆管路不堵塞易操作和经济效益等综合考虑，得出最佳高水材料水灰比为 1.81。（4）在 182605下工作面运料巷进行沿空留巷工业性实验，取得了良好的技术经济效益和社会效益，具有一定的推广应用价值。参考文献：1 康红普，牛多龙，张镇，等.深部沿空留巷围岩变形特征与支护技术J.岩石力学与工程学报，2010，29（10）：1 977-1 987.2 柏建彪，周华强，侯朝炯，等.沿空留巷巷旁支护技术的发展J.中国矿业大学学报，2004，33（2）：183-186.3 陈勇，柏建彪，王襄禹，等.沿空留巷巷内支护技术研究与应用J.煤炭学报，2012，37（6）：903-910.4 康红普，张晓，王东攀，等.无煤柱开采围岩控制技术及应用J.煤炭学报，2022，47（1）：16-29.5 匡中文.薄基岩地质条件下中厚煤层柔模混凝土沿空留巷矿压显现规律分析与应用J.煤炭技术，2021，40（11）：66-69.6 杨计先.沿空留巷空间“小”结构稳定性控制研究及应用J.煤炭工程，2021，53（9）：36-41.7 卞卡，柏建彪，赵涛，等.综采工作面高水材料空巷充填技术与应用J.煤炭技术，2021，40（5）：37-40.8 张自政，柏建彪，陈勇，等.沿空留巷不均衡承载特征探讨与应用分析J.岩土力学，2015，36（9）：2 665-2 673.9 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