戚 洋 賈凱軍 王鵬宇 肖龍正

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008）

松軟煤巖層預(yù)掘巷充填體構(gòu)筑技術(shù)研究與應(yīng)用

戚 洋 賈凱軍 王鵬宇 肖龍正

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008）

結(jié)合云駕嶺礦12802工作面“三軟”巖層的現(xiàn)狀，根據(jù)從采空區(qū)到相鄰煤體形成的穩(wěn)定區(qū)、減壓區(qū)和增壓區(qū)的應(yīng)力分布規(guī)律及關(guān)鍵層理論，采用ZKD型高水速凝材料構(gòu)筑充填體，將充填體布置于減壓區(qū)內(nèi)，盡量使其承受較小的壓力，以達(dá)到護(hù)巷的效果。結(jié)果表明：高水速凝材料具有早期和最終強(qiáng)度高、增阻速度快等優(yōu)良性能；所構(gòu)筑的充填體具有足夠的承載能力和良好的可縮性，使充填體與頂?shù)装鍘r層形成一個(gè)完整的支承結(jié)構(gòu)體，并有效地減少了巷道的頂板下沉量。

采空區(qū)充填 高水速凝材料 松軟煤巖層 充填體

隨著煤炭資源的大規(guī)模開(kāi)采，越來(lái)越多的煤礦面臨著資源枯竭的危險(xiǎn)，因此提高資源采出率成為了大多數(shù)煤礦重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。目前，為了隔絕向相鄰采空區(qū)漏風(fēng)并防止采空區(qū)的積水流入新掘巷道內(nèi)，絕大部分的掘巷都留設(shè)有8～15m的煤柱，采用沿空掘巷技術(shù)一般也留有3～5m的窄煤柱，這無(wú)疑都造成了煤炭資源的浪費(fèi)（損失2%～3%）。因此采用無(wú)煤柱護(hù)巷具有十分重要的意義。

高水速凝材料支護(hù)有增阻速度快，支護(hù)阻力大，充填工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)良性能。因此，采用高水速凝材料構(gòu)筑充填體置換窄煤柱，不但提高了煤炭資源采出率，而且改善了安全生產(chǎn)條件。

1 構(gòu)筑充填體預(yù)掘巷圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

工作面開(kāi)采以后，在采空區(qū)與其相鄰煤體之間的一定范圍內(nèi)形成穩(wěn)定區(qū)、減壓區(qū)和增壓區(qū)，見(jiàn)圖1。由于冒落矸石難以將采空區(qū)全部充滿，老頂下沉到一定程度后會(huì)在采空區(qū)邊緣發(fā)生斷裂，煤層頂板彎曲并以一定角度向采空區(qū)傾斜，導(dǎo)致側(cè)向支承壓力向煤體內(nèi)轉(zhuǎn)移。在頂板彎曲下沉、支承壓力轉(zhuǎn)移過(guò)程中，邊緣煤體被破壞，形成一定厚度的破碎區(qū)，同時(shí)，在煤體邊緣一定范圍（一般0～7m）內(nèi)形成應(yīng)力降低區(qū)。而在采空區(qū)一側(cè)，老頂活動(dòng)趨于穩(wěn)定，應(yīng)力基本不再發(fā)生變化。

2 高水材料充填體置換煤柱

2.1 充填體圍巖控制機(jī)理

根據(jù)關(guān)鍵層理論，老頂關(guān)鍵層從破斷到形成“砌體梁”平衡結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，隨著關(guān)鍵塊的回轉(zhuǎn)與下沉，巷道基本頂發(fā)生沉降。與此同時(shí)，煤幫作為砌體梁的一個(gè)承載體始終承受較為集中的支撐壓力，從而導(dǎo)致煤幫發(fā)生嚴(yán)重變形。

圖2 預(yù)掘巷圍巖結(jié)構(gòu)模型

工作面回采后，采空區(qū)頂板垮落，充填支護(hù)體外側(cè)的偽頂及直接頂在自重與充填支護(hù)體及單體支柱的支撐下，沿走向方向破斷，形成“支柱—充填支護(hù)體—煤壁”的邊界支護(hù)結(jié)構(gòu)。從采場(chǎng)角度分析，由于采動(dòng)空間大、圍巖活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，老頂巖層總的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)不會(huì)因充填體支護(hù)這一技術(shù)因素有所改變，仍會(huì)在巷道以及煤壁邊緣形成低應(yīng)力區(qū)。隨著工作面回采，老頂?shù)某醮蝸?lái)壓及周期來(lái)壓依次發(fā)生，采空區(qū)冒落矸石進(jìn)一步被壓實(shí)，對(duì)老頂起到很大的支撐作用，巷道頂板因受到巷旁支護(hù)體的支撐作用，其下沉量遠(yuǎn)小于采空區(qū)頂板的下沉量。而基本頂則發(fā)生旋轉(zhuǎn)下沉直至穩(wěn)定，形成砌體梁結(jié)構(gòu)。預(yù)掘巷圍巖結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

2.2 充填體力學(xué)模型

如圖2所示，下區(qū)段巷道掘進(jìn)之前，充填體布置在減壓區(qū)內(nèi)，受到上覆巖層的壓力很小。在關(guān)鍵塊的回轉(zhuǎn)下，充填體左邊界緊靠煤體，隨著關(guān)鍵塊的回轉(zhuǎn)，左邊界受到的部分壓力由煤體來(lái)承擔(dān)，而右邊界（采空區(qū)側(cè)）則會(huì)受到相對(duì)較大的回轉(zhuǎn)壓力。充填體下邊界受到底板的支撐作用，垂直方向位移相對(duì)較小，可以認(rèn)為下邊界給定垂直位移為零，據(jù)此可建立充填體力學(xué)模型，見(jiàn)圖3。

圖3 充填體力學(xué)模型

2.3 高水速凝材料充填體置換關(guān)鍵技術(shù)

保持充填體穩(wěn)定是控制圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵，因此必須提高充填體的承載能力及穩(wěn)定性。充填體越寬護(hù)巷效果越好，但成本也會(huì)相應(yīng)增加，所以應(yīng)該選擇合理的充填體寬度。充填體寬度d主要由切頂阻力、充填體強(qiáng)度確定，見(jiàn)式（1）。

式中：k1——充填體強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.85；

σ——充填體的強(qiáng)度，MPa；

Pq——切頂阻力，MPa。

3 工程實(shí)例

3.1 工程地質(zhì)及運(yùn)輸平巷支護(hù)情況

云駕嶺礦12802工作面位于井田二水平八采區(qū)，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度平均為1550m，傾斜長(zhǎng)度平均為180m。主采2＃煤層，煤層賦存較穩(wěn)定，煤層平均厚度3.2m，煤巖層傾角平均為25°。

2＃煤層有一層厚度為0.5～1m的偽頂，泥質(zhì)粉砂巖，遇水易軟化，揭露后易跨落；直接頂為粉砂巖，厚3.3m，裂隙發(fā)育；老頂為細(xì)粒砂巖，平均厚8.3m；直接底為粉砂巖，厚5.2m；老底為細(xì)粒砂巖，厚4.1m。

12802工作面運(yùn)輸平巷沿煤層頂板布置，采用梯形斷面，斷面寬3.8m，中高2.8m。頂板支護(hù)采用“錨網(wǎng)＋小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)”的聯(lián)合支護(hù)形式。頂錨桿長(zhǎng)2.4m，間排距為0.8m×0.9m；頂錨索采用“鳥(niǎo)窩”錨索，錨索長(zhǎng)7m，直徑17.8mm，間排距為1.8m×1.2m。幫錨桿長(zhǎng)2.4 m，為滿足均勻壓縮帶即“擋固層”有一定厚度的要求，錨桿間排距取為0.9m×0.9m；幫錨索采用“鳥(niǎo)窩”錨索，錨索長(zhǎng)4.3m，直徑17.8mm。運(yùn)輸平巷支護(hù)斷面如圖4所示。

圖4 12802面運(yùn)輸平巷支護(hù)斷面圖

3.2 巷旁充填材料

充填支護(hù)體應(yīng)具有早期強(qiáng)度高、增阻速度快的力學(xué)特性。支護(hù)體緊隨工作面構(gòu)筑，及時(shí)對(duì)偽頂及直接頂進(jìn)行支護(hù)，確保巷道內(nèi)頂板不破碎，同時(shí)避免其與上部基本頂離層，并切斷采空區(qū)側(cè)的偽頂及直接頂，以減小充填體所承受的載荷。

表1 ZKD高水速凝材料凈漿單軸抗壓強(qiáng)度

由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制的ZKD型新型高水速凝充填材料固結(jié)體抗壓強(qiáng)度比原高水材料平均提高40%～50%，凝固速度快，承載和變形性能好，可根據(jù)工程需要對(duì)材料強(qiáng)度和凝固時(shí)間進(jìn)行調(diào)控。該材料由甲料、乙料兩種組分構(gòu)成，二者以重量比1∶1配合使用。其中甲料以硫鋁酸鹽水泥熟料為基材，與懸浮劑及少量超緩凝劑混磨而成，乙料由石灰、石膏、懸浮劑和復(fù)合速凝早強(qiáng)劑等混磨而成。針對(duì)12802工作面運(yùn)輸平巷具體情況，選用袋裝凈漿材料進(jìn)行充填。ZKD型高水速凝材料單軸抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表1。

3.3 巷旁充填體位置

綜合考慮12802綜采面運(yùn)輸平巷頂?shù)装寮皣鷰r松軟情況，將充填體置于巷道內(nèi)，緊貼下幫，即充填體與下幫之間不留空間，使其發(fā)揮小煤柱的作用，以節(jié)約資源，達(dá)到充分開(kāi)采的效果。

3.4 充填體參數(shù)

充填體取梯形斷面，上底長(zhǎng)3m，下底長(zhǎng)2m，沿傾斜方向?qū)?m。充填體由充填袋及注入袋中的高水速凝材料組成。充填袋由優(yōu)質(zhì)風(fēng)筒布制作而成，同時(shí)在充填體中置入4個(gè)錨栓，使其由二向受力狀態(tài)變成三向受力狀態(tài)，支護(hù)強(qiáng)度得到明顯提高。充填體采用錨栓托盤(pán)配合金屬鋼帶或梯子梁進(jìn)行側(cè)向支護(hù)，必要時(shí)可掛金屬網(wǎng)，以提高充填體的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性。充填體中錨栓的布置如圖5所示。

3.5 充填設(shè)備選型

由于12802綜采面運(yùn)輸平巷鋪設(shè)有帶式輸送機(jī)等大型設(shè)備，故將充填泵站布置在距最遠(yuǎn)充填點(diǎn)約2300m左右的上部車(chē)場(chǎng)附近。因此，充填體的構(gòu)筑選用長(zhǎng)距離水力泵送充填工藝。因運(yùn)輸平巷高度較大，構(gòu)筑單位長(zhǎng)度的充填體需要的充填材料較多，經(jīng)計(jì)算選用輸送流量近200L／min的充填泵可滿足要求。充填泵選為2ZBYSB－200－50／5－15－37煤礦用雙液變量注漿泵。其最大流量200L／min，壓力5～15MPa，輸入功率37kW。

圖5 充填體間錨栓的位置示意圖

充填管路分別由KJR25高壓膠管和?32mm（1.25英寸）無(wú)縫鋼管組成。輸料管路有兩趟，均從泵站到充填點(diǎn)，分別輸送甲、乙料。為使充填方便可靠，充填泵與鋼管之間以及充填鋼管與混合器間均用高壓膠管過(guò)渡連接，混漿管采用高壓膠管。膠管與鋼管間用快速接頭相配合。

3.6 充填區(qū)域頂板管理

原巷道頂板有厚為0.5～1m的偽頂，圍巖較破碎，給錨桿加固和掘巷帶來(lái)極大困難，因此選用鳥(niǎo)窩錨索及鋼帶進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。在充填體外側(cè)需架設(shè)長(zhǎng)約10～12m的兩道走向梁，走向梁與充填體之間留有700mm的行人空間。采用金屬鉸接頂梁加單體液壓支柱對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，采空區(qū)側(cè)最好掛設(shè)擋矸簾。

4 礦壓觀測(cè)

構(gòu)筑充填體期間，沿12802工作面走向方向，共布置5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)間距為100m，每天對(duì)各測(cè)點(diǎn)觀測(cè)一次。對(duì)各測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果做加權(quán)平均處理后，可得到頂板下沉量的變化情況，見(jiàn)圖6。

圖6 上下幫側(cè)頂板下沉量與工作面距離關(guān)系

由圖6可見(jiàn)，在工作面后方20m以外，頂板下沉速度明顯加快，靠近采空區(qū)側(cè)的頂板下沉速度大于靠近煤幫側(cè)的；離工作面80m左右，頂板活動(dòng)趨于穩(wěn)定，頂板的平均下沉量為115mm。另外，通過(guò)觀測(cè)得知，充填體承受的最大載荷為4.2 MPa。由于充填體具有可伸縮性，且能承受10 MPa壓力，故整體較為完整。

5 效益分析

該技術(shù)提高了煤炭資源回收率，延長(zhǎng)了礦井的服務(wù)年限，緩解了煤炭生產(chǎn)中普遍存在的采掘接替緊張問(wèn)題。采用充填體置換窄煤柱，其強(qiáng)度大，改善了巷道支護(hù)效果。

巷道長(zhǎng)度按1550m計(jì)算。若采用充填體置換窄煤柱預(yù)掘巷技術(shù)，充填高水材料耗費(fèi)2506元／m，充填袋折合300元／m，人工費(fèi)折合280元／m，其它費(fèi)用折合210元／m，新掘進(jìn)巷道綜合成本約為3200元／m，則總成本為1006.88萬(wàn)元。若采用沿空掘巷技術(shù)，保護(hù)煤柱留設(shè)按5m寬計(jì)算，煤的容重為1.8t／m3，則煤炭損失為44640t，平均效益630元／t，經(jīng)濟(jì)損失為2812.32萬(wàn)元；新掘巷道綜合成本約為4500元／m，成本為697.5萬(wàn)元，則總成本為3509.82萬(wàn)元。由此可得采用充填體置換窄煤柱預(yù)掘巷技術(shù)可獲得經(jīng)濟(jì)效益2502.94萬(wàn)元。

因此，采用充填體置換窄煤柱預(yù)掘巷技術(shù)給云駕嶺礦帶來(lái)了較大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語(yǔ)

ZKD型新型高水速凝材料具有增阻速度快、早期強(qiáng)度高等力學(xué)特性，能及時(shí)支護(hù)頂板，有效地控制圍巖變形，完全適用于構(gòu)筑充填體預(yù)掘巷技術(shù)。其技術(shù)作為綠色開(kāi)采的一部分，是一項(xiàng)能促進(jìn)礦井安全生產(chǎn)并提高礦井開(kāi)采水平的先進(jìn)的科技工藝，能給煤礦帶來(lái)較大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 張東升，王紅勝，馬立強(qiáng).預(yù)筑人造幫置換窄煤柱的二步驟沿空掘巷新技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010（10）

［2］ 孟金鎖.綜放開(kāi)采“原位”沿空掘巷探討［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999（2）

［3］ 柏建彪，王衛(wèi)軍，侯朝炯等.綜放沿空掘巷圍巖控制機(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2000（5）

［4］ 張東升，馬立強(qiáng)，馮光明等.綜放巷內(nèi)充填原位沿空留巷技術(shù)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（7）

［5］ 李建輝，馮光明，寧帥等.綜采沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用［J］.中國(guó)礦業(yè)，2009（3）

［6］ 權(quán)景偉，柏建彪，種道雪等.沿空留巷錨桿支護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2006（12）

［7］ 柏建彪，周華強(qiáng)，侯朝炯等.沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)的發(fā)展［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（2）

［8］ 柏建彪.沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究［J］.煤礦支護(hù)，2009（2）

［9］ 劉建功，趙慶彪，張文海等.煤礦井下巷道矸石充填技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)煤炭，2005（8）

Research and application of technique of constructing filling body in pre－driven roadway in soft coal seam

Qi Yang，Jia Kaijun，Wang Pengyu，Xiao Longzheng
（School of Mining Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

Aiming at the characteristic of soft coal seam with soft roof and soft floor in No.12802workface in Yunjialing Coal Mine，and according to the laws of stress distribution of stable zone，decompressing zone and pressurizing zone from the gob to its adjacent coal body and the key strata theory，this paper uses ZKD high－water rapid hardening material to construct filling body，which is arranged in decompressing area to make it bear less pressure as far as possible to achieve the best result of supporting the roadway.The results show：high－water rapid hardening material possesses the advantages of high strength and quick increasing resistance；the filling body has enough bearing capacity and good retractility to make the filling body and rocks of the roof and the floor form a complete supporting structure，and effectively decrease the subsidence of the roadway roof.

gob filling，high－water rapid hardening material，soft coal rock，filling body

TD353.7

B

戚洋（1987－），男，漢族，山東淄博人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程研究生，主要從事充填開(kāi)采及沿空留巷等采礦工程方面的研究工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）