干河煤矿中厚煤层高水材料巷旁充填沿空留巷技术应用

刘文博

(山西安煤矿业设计工程有限公司,山西 太原 030006)

1 工程概况

山西霍宝干河煤矿有限公司2-301综采工作面西北侧为三采区3条系统大巷,西南侧为实体煤,东北侧为2-302综采工作面(未掘),东南侧300 m为实体煤。该工作面地表形态属低山黄土丘陵,工作面地表大部为农田耕地,黄土覆盖厚度47.2～59.5 m,基岩厚度400.01～409 m.2-301工作面位于+80水平,主采2号煤层。2号煤层位于二叠系下统山西组(p1s)上部,煤层厚度2.2～2.4 m,光泽较暗,主要由暗煤和亮煤组成,属半亮型煤。硬度和韧度较大,节理不发育,视密度为1.40 t/m3.工作面整体为走向S63°W,倾向SE的背斜构造,煤层倾角1°～6°,平均3.5°.2-301工作面回采期间将揭露H=0.6 m断层,该断层在2-3012巷揭露延伸至切巷,影响范围预计为15 m.本工作面两巷沿煤层走向布置,工作面沿煤层倾向布置。2-301回风巷长555 m,2-301运输巷长473 m,切巷长140 m,可采走向长度445 m.2-301运输巷、回风巷均沿2号煤层顶板破底掘进,巷道顶底板岩层情况见表1.巷道断面为矩形,采用锚网梁+锚索联合支护,2-301工作面为2号煤层三采区首采工作面。为提高采区回采率、资源利用率,在2-301运输巷进行巷旁充填沿空留巷技术实践,为保障其围岩稳定性,对沿空巷道支护方案及矿压特征进行研究。

表1 煤层顶底板情况

2 高水材料性能简介

2.1 高水材料性能简介

高水材料巷旁充填沿空留巷技术经七五和八五国家科技攻关,材料本身和相关技术已经完善,在阳煤集团、华润煤业、沁新集团、徐州矿务集团、焦作、平顶山、兖州、窑街等多个矿务局现场实施后[1-2],留巷效果良好。高水材料分为甲、乙两种浆料。甲料浆、乙料浆单独与水混合24 h不凝结,而甲料浆和乙料浆一旦相互混合则会快速凝结硬化[3]。

2.2 高水材料充填工艺流程

高水材料巷旁充填布置包括充填泵站与充填点两部分。泵站可布置在不影响工作面回采、方便材料运输、水电及通讯设施齐全、作业空间大、作业环境好的巷道或硐室内,具体位置与矿方共同确定。根据巷道已经构筑好的充填体快速定位好充填空间位置,并对充填空间区域顶板进行支护(根据顶板完整情况确定是否架设临时支护),满足安全要求后,进行清理浮煤与吊挂充填袋等工作。工作面应用高水材料充填时,设备规格型号为:2ZBYSB30090/515-55型双液注浆泵、JDW-1000S型搅拌桶、高压胶管等材料及设备。充填工艺流程如图1所示。

图1 高水速凝材料巷旁充填工艺流程图

3 巷旁充填体合理宽度模拟分析

为研究巷旁充填宽度对沿空留巷围岩稳定性的影响规律,对巷旁充填体的设计提供参考依据,采用计算机仿真模拟软件FLAC3D进行模拟研究[4]。基于2-301工作面工程背景,建立长、宽、高分别为60 m、60 m、40 m的立方体三维模型,对煤岩层网格划分时进行非等分处理,沿空巷道附近进行网格细分,沿空巷道布置在模型中部,模型网格划分如图2(a)所示,模型埋深约为420 m,模型顶部加载10.45 MPa的垂直载荷,固定模型四周边界法向位移,固定模型地面法向及切向位移,边界条件如图2(b)所示。

图2 数值模型及边界条件

巷旁充填体的设计与优化不仅影响巷道围岩的稳定,同时对工艺经济效益、应用价值也具有重要影响,为对巷旁充填体合理宽度做出可靠评价,模拟过程分为以下几个步骤:①三维模型建立完成后,施加位移、应力边界条件,计算达到初始平衡状态;②进行2-301运输巷的开挖与支护,开挖断面宽×高=4.5 m×3.5 m,采用传统锚网量+锚索支护,然后进行求解;③进行工作面的分段开挖,每次开挖进尺3 m,同时,对2-301运输巷旁充填,巷旁充填宽度分别为1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m.模拟计算完成后,监测沿空巷道及充填体变形情况,最终得到图3所示结果。

图3 不同充填体宽度条件下巷道变形模拟结果

根据图3可知,沿空巷道顶板下沉量、煤帮及充填体水平位移随着充填体宽度的增大而逐渐减小。总体而言,在充填宽度1.8～2.4 m条件下,沿空巷道及充填体变形量均在合理范围内。由此说明,采用高水速凝材料进行沿空留巷具有合理性和可行性。充填体宽度由1.8 m增大为2.0 m后,对沿空巷道顶板下沉量的控制效果显著提升,煤帮及充填体的水平位移也显著减小;充填体宽度由2.0 m继续增大至2.2 m,顶板下沉量减小幅度明显减小,煤帮水平位移和充填体水平位移量明显减小;充填体宽度由2.2 m继续增大至2.4 m,沿空巷道围岩变形量及充填体变形量减小幅度均显著减小,表面充填体宽度继续增大,对于沿空巷道控制效果提升不大,由此建议2-301运输巷巷旁充填体宽度为2.2 m最为合理。

4 沿空留巷围岩控制方案

4.1 巷旁充填体参数设计

结合前文研究结果,设计2-301运输巷旁充填体规格长×宽×高=3.0 m×2.2 m×3.5 m,为提高巷旁充填体的整体性和抗压能力,在充填体宽度方向对拉锚栓进行加固,锚栓由直径22 mm的螺旋钢材制作而成,总长2.3 m,排间距0.85 m×0.9 m,竖向同排锚杆由直径14 mm圆钢制作的梯子梁连接,充填体表面采用钢筋网护表,充填体加固如图4所示。

图4 充填体补强支护(单位:mm)

4.2 沿空巷道支护设计

2-301运输巷留巷期间的补强支护可分为以下几部分:①巷道掘巷永久支护及补强支护:原始支护方案为锚网梁+锚索联合支护,顶锚杆规格Φ22 mm×2 400 mm,间排距1.0 m×0.9 m,帮锚杆规格Φ20 mm×1 800 mm,间排距0.8 m×0.9 m,顶锚索规格Φ21.6 mm×6 300 mm,间排距2.0 m×1.8 m.为防止在工作面超前支承压力影响下出现过度变形,超前回采工作面100 m对巷道进行补强支护,顶板补打锚索“二〇二”布置,规格同顶板原支护,布置间排距3.0 m×1.8 m,煤柱帮补打规格Φ21.6 mm×4 300 mm的短锚索,布置间排距2.0 m×1.0 m,每排两根;②充填区域顶板补强支护:为保障充填体上方顶板在充填期间的稳定性,采用单体柱配合铰接顶梁进行临时支护,并在顶板施工锚杆、锚索进行补强支护,锚杆、锚索规格同掘巷期间永久支护方案,支护详情如图5所示;③留巷段加强支护:超前回采工作面40 m及滞后工作面150 m范围内,采用“一梁三柱”进行加强支护,顶梁采用11号工字钢,长度4.2 m,排距1.0 m.

图5 充填区域顶板支护方案(单位: mm)

5 应用实践效果分析

5.1 围岩控制效果考察

干河煤矿2-301运输巷留巷阶段监测表明变形量及巷旁充填体受力情况,布置在2-301运输巷里程350 m的2号测点监测数据见图6,留巷前10 d,巷道表面变形量增长较快,留巷的10～25 d,巷道变形量逐渐稳定,留巷稳定后,底鼓180 mm,顶板下沉148 mm,煤壁内移58 mm,墙体内移44 mm,沿空巷道整体处于稳定状态;滞后工作面0～100 m,充填体载荷呈大幅度波动变化,滞后工作面100～200 m,充填体载荷波动起伏上升,滞后工作面200 m以上,墙体载荷稳定,墙体表面光洁平整、无明显破损。综上可知,2-301运输巷沿空留巷围岩控制效果较好。

图6 综合矿压监测结果

5.2 经济、社会效益分析

干河煤矿2-301运输巷沿空留巷综合成本约为3 779.3元/m,根据矿方资料,新掘1条巷道成本约为3 500元/m,则留巷直接增加投入为:3 500-2 779.3=720.7(元/m)。2-301运输巷留巷420 m,2-302工作面设计推进380 m,煤层均厚2.2 m,密度1.4 t/m3.假设采用原有设计20 m的护巷煤柱,共含煤炭资源17 000 t左右,回收率按98%计算,则多采出煤炭资源1 690 t,假设每吨煤的利润为300元,开采煤柱增加收益507万元,沿空留巷每米效益为12 073元。则沿空留巷较新掘巷道可增加利润:12 073-720.7=11 352.3(元/m)。由此可见,沿空留巷经济效益明显。少掘一条巷道,节省工作面准备时间,缓解接替紧张局面,同时降低巷道掘进风险。将区段煤柱全部回收,大大提高了采区资源回收率,延长了矿井服务年限。

6 结 语

通过分析高水速凝材料特性,讨论将其作为巷旁充填体的优势。数值模拟研究表明,巷旁充填体宽度设计为2.2 m较为经济合理。结合2-301运输巷围岩地质条件,设计其留巷期间巷旁充填体支护、顶板补强支护、巷内临时支护方案,工业性试验期间进行了矿压监测,留巷稳定后,巷道表面变形量合理可控,充填体载荷稳定,留巷支护效果较好。采用沿空留巷工艺较新掘巷道可增加利润11 352.3元/m,取得了良好的经济技术效益,可在该矿后续巷道掘进及支护期间推广使用。