韓俊效，馬晉民，石晉松，陳 勇

(1.山西華潤(rùn)大寧能源有限公司，山西 陽城 048114；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

大寧煤礦為煤與瓦斯突出礦井，現(xiàn)綜采工作面采用五進(jìn)二回的“偏Y型”通風(fēng)方式。工作面回采前，采用順層鉆孔對(duì)回采區(qū)域進(jìn)行瓦斯預(yù)抽；正常生產(chǎn)期間，利用高位頂板穿層孔、密閉埋管抽采方式對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。經(jīng)采空區(qū)預(yù)埋管路抽放和頂板高位孔抽放后，第二聯(lián)絡(luò)回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛饶芸刂圃?%以下。但根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：“采掘工作面的進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)不得經(jīng)過采空區(qū)或冒頂區(qū)”，以及上級(jí)執(zhí)法部門認(rèn)為“綜采工作面存在采空區(qū)通風(fēng)問題”，不符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定。根據(jù)綜采工作面U型通風(fēng)試驗(yàn)情況，在現(xiàn)有抽放能力條件下(抽采效率70%左右)，采區(qū)瓦斯泵站抽采能力和順槽管路直徑不能滿足U型通風(fēng)要求，工作面上隅角瓦斯波動(dòng)較大，甚至超限，需對(duì)現(xiàn)有井上下抽采系統(tǒng)抽采能力進(jìn)行提升改造。為保證工作面后方采空區(qū)不透風(fēng)和瓦斯排放的可靠性，在井上下抽采系統(tǒng)抽采能力提升改造完成之前，采用沿空留巷技術(shù)避免采空區(qū)通風(fēng)問題的出現(xiàn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員在沿空留巷充填體寬度留設(shè)方面進(jìn)行了深入的理論研究和工程實(shí)踐[1]，并取得了豐富的研究成果。張東升等[2]人通過數(shù)值模擬和相似模擬的方法分析了不同充填體寬度時(shí)頂板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，確定了巷旁充填體的寬度。張鎮(zhèn)等[3]通過深部沿空留巷數(shù)值模擬研究，認(rèn)為充填體的寬高比應(yīng)大于1∶1。還有眾多學(xué)者通過建立不同的沿空留巷力學(xué)模型[4-9]，得出了不同地質(zhì)條件下的巷旁支護(hù)阻力，進(jìn)而確定了巷旁充填體的寬度。但以上研究主要集中在充填體寬度，針對(duì)階段式沿空留巷巷旁充填體階段長(zhǎng)度開展的理論與技術(shù)研究則很少。充填體階段長(zhǎng)度是優(yōu)化大采高條件下留巷圍巖應(yīng)力和變形的有效途徑之一，但目前缺少大采高階段沿空留巷的深入研究。

因此，針對(duì)大寧煤礦突出煤層大采高工作面多巷布置及上隅角瓦斯超限等問題，以大寧礦304工作面運(yùn)輸巷沿空留巷為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究巷旁充填體的合理階段長(zhǎng)度和寬度，對(duì)大采高階段式沿空留巷充填體參數(shù)設(shè)置具有一定指導(dǎo)意義。

1 工程概況

304綜采工作面傾向長(zhǎng)度244.5m，工作面回采巷道沿3#煤層底板掘進(jìn)。該范圍3#煤層賦存穩(wěn)定，煤層中含夾矸厚度變化較大，夾矸厚度一般為0.05～0.3m，煤層傾角一般為2°～8°，平均4°，煤層厚度3～6.96m，煤層平均厚度4.94m，平均埋深360m。直接頂為粉砂巖，厚度為9.2m左右；基本頂為含炭泥巖，厚度8m以上，直接底為1.5m左右的砂質(zhì)泥巖。

304工作面原始瓦斯含量為10.71～20.2m3/t，煤層殘存瓦斯含量為2.59m3/t。工作面回采前，采用順層鉆孔對(duì)回采區(qū)域進(jìn)行預(yù)抽；生產(chǎn)期間，利用頂板穿層孔、密閉埋管抽采方式對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。順層鉆孔預(yù)抽后，殘余瓦斯含量為4.14～6.43m3/t，區(qū)域平均殘余瓦斯含量為5.39m3/t，可解析瓦斯含量為2.8m3/t。

結(jié)合相鄰工作面采空區(qū)瓦斯抽采經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)本工作面回采過程中采用“高位頂板穿層孔+密閉埋管抽放方式”可抽采瓦斯35～40m3/min。

2 階段式沿空留巷圍巖穩(wěn)定機(jī)理研究

2.1 階段式沿空留巷巷旁支護(hù)作用機(jī)理

考慮到大寧煤礦階段式沿空留巷巷道不同于傳統(tǒng)沿空留巷，其功能僅需滿足本工作面通風(fēng)要求，不為相鄰工作面服務(wù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)，分段充填隔離采空區(qū)、充填至60m時(shí)整體密閉。根據(jù)沿空留巷側(cè)向頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，沿空留巷圍巖活動(dòng)經(jīng)歷2個(gè)階段，即：采動(dòng)影響階段、留巷穩(wěn)定階段。根據(jù)其受力特點(diǎn)和變形特征，巷旁支護(hù)體的作用機(jī)理[10-15]為：

1)在采動(dòng)影響階段，工作面后方基本頂首先在實(shí)煤體側(cè)上方發(fā)生破斷，巷旁高水材料充填體快速凝結(jié)并及時(shí)支護(hù)頂板，分擔(dān)煤柱載荷、保護(hù)巷道原有支護(hù)不被破壞，確保了頂板完整性；隨著工作面推進(jìn)，基本頂回轉(zhuǎn)和下沉，充填體承受的載荷迅速增大，可沿其外側(cè)切斷基本頂，將部分頂板載荷轉(zhuǎn)移至采空區(qū)冒落矸石上，由煤柱、充填體和冒落矸石共同承載巷道上方的頂板巖層；當(dāng)頂板運(yùn)動(dòng)劇烈時(shí)，通過充填體良好的變形讓壓性能，繼續(xù)將頂板載荷向采空區(qū)轉(zhuǎn)移。

2)在留巷穩(wěn)定階段，采空區(qū)上部頂板運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，采空區(qū)應(yīng)力分布和沿空留巷圍巖變形速度趨于穩(wěn)定，關(guān)鍵塊體之間形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，巷道圍巖處于較低的應(yīng)力狀態(tài)，基本頂下方的實(shí)煤體支撐能力不變，巷旁支護(hù)體基本處于恒阻工作狀態(tài)。

2.2 階段式沿空留巷巷旁支護(hù)阻力確定

根據(jù)上述巷旁支護(hù)體的作用機(jī)理，建立巷旁支護(hù)體與頂板相互作用的力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 沿空留巷基本頂力學(xué)模型

根據(jù)陳勇[5]力學(xué)模型，用平衡法對(duì)AB、BC兩巖塊分別建立力學(xué)方程。得出：

Pq=[ML+(NC+qcosα·e)(x0+c+d)+

式中，α為煤層傾角，(°)；c為巷道寬度，m；d為巷旁充填支護(hù)體寬度，m；h為基本頂巖層厚度；Pq為巷旁支護(hù)體的切頂阻力，kN；ML為基本頂巖層的極限彎矩，kN·m；M0為A端基本頂?shù)臍堄鄰澗?，kN·m；q為基本頂及其上部軟弱巖層單位長(zhǎng)度的自重，kN；q0為直接頂單位長(zhǎng)度自重，kN；ΔSB為基本頂垮落前B端的下沉量，其計(jì)算式為：

式中，e為BC巖塊的長(zhǎng)度，m。其計(jì)算式為：

式中，Lm為工作面長(zhǎng)度，m；b為基本頂來壓步距，m。

根據(jù)工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，相關(guān)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)取值如下：煤層采高4.94m(留巷端頭部分煤不回收)，巷道高度為3.5m，工作面長(zhǎng)度245.5m，周期來壓步距15m，工作面最大埋深400m，基本頂分層厚度為3m，直接頂平均厚度9.2m，上覆巖層容重為25kN/m3，應(yīng)力集中系數(shù)為2.0，基本頂巖層抗拉強(qiáng)度取值為8MPa，側(cè)壓系數(shù)為0.4，煤層粘聚力為3MPa，內(nèi)摩擦角30°，煤幫采用錨桿支護(hù)阻力按0.15MPa考慮，煤層傾角3°，留巷后巷道寬度在2.5m左右。

經(jīng)計(jì)算，充填體平均需求強(qiáng)度按8MPa考慮，考慮一定安全系數(shù)(取值1.2)，則初步確定在巷內(nèi)充填時(shí)所需的充填體強(qiáng)度達(dá)到9MPa左右。

2.3 巷旁充填材料的選定

關(guān)于沿空留巷巷旁充填體的充填材料，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)和英國(guó)的學(xué)者都發(fā)明了多種高強(qiáng)度且膠凝凝結(jié)速度快的高水材料，研制出的高水材料的體積含水率可以高達(dá)90%，5～30min便可實(shí)現(xiàn)初凝，且高水材料的最終強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)10MPa以上。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)者針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的需求不同，研制了了相應(yīng)規(guī)格的高水材料，充填材料選用的水灰比一般在1.0～5.0。

高水材料強(qiáng)度與水灰比變化關(guān)系如圖2所示。由圖2可以看出，強(qiáng)度隨著水灰比的減小而增大，每單位內(nèi)使用的高水充填材料越多，用水量就越小，從而充填體的強(qiáng)度就越高。常見的水泥混凝土水灰比范圍為0.5∶1～0.75∶1，當(dāng)高水充填材料采用此水灰比時(shí)，充填體的強(qiáng)度可以達(dá)到20～50MPa，完全可以滿足井下沿空留巷充填體的強(qiáng)度要求。

圖2 高水材料單軸抗壓強(qiáng)度與水灰比關(guān)系

3 階段式沿空留巷巷旁充填體參數(shù)優(yōu)化分析

3.1 數(shù)值模型

根據(jù)大寧煤礦綜采工作面布置及頂板力學(xué)參數(shù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值計(jì)算模型。如圖3所示。在工作面后方60m內(nèi)設(shè)置不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過分步開挖，監(jiān)控不同充填體寬度條件下留巷圍巖應(yīng)力和巷道頂板變形情況。

圖3 三維數(shù)值模擬模型

3.2 不同充填體寬度條件下圍巖應(yīng)力和變形

3.2.1 充填體寬度對(duì)圍巖應(yīng)力和變形的影響

將高水材料水灰比固定為1.5∶1，分析巷旁充填體寬度對(duì)沿空留巷圍巖應(yīng)力分布和圍巖變形規(guī)律。不同巷旁支護(hù)體寬度時(shí)沿空留巷圍巖應(yīng)力分布和空留巷圍巖變形量如圖4、圖5所示。

由圖4可知，隨著基本頂?shù)钠茢?、回轉(zhuǎn)，頂板向采空區(qū)方向傾斜。巷旁支護(hù)體承載能力隨其寬度的增加而增強(qiáng)，頂板的下沉量隨巷旁支護(hù)體寬度的增加而減小。

圖4 不同巷旁支護(hù)體寬度時(shí)沿空留巷圍巖應(yīng)力分布

圖5 不同巷旁支護(hù)體寬度時(shí)沿空留巷圍巖變形量

從圖5可知，沿空留巷圍巖變形量隨著巷旁充填支護(hù)體寬體增加而減小，當(dāng)寬度增加至1.2m以上時(shí)，圍巖變形量減小幅度開始緩慢。

3.2.2 充填體寬度對(duì)充填區(qū)域應(yīng)力的影響

將高水材料水灰比固定為1.5∶1，分析巷旁充填體寬度對(duì)巷旁充填區(qū)域垂直應(yīng)力分布規(guī)律。巷旁充填體寬度對(duì)充填區(qū)垂直應(yīng)力的影響如圖6所示。

圖6 巷旁充填體寬度對(duì)充填區(qū)垂直應(yīng)力的影響

由圖6可知，充填區(qū)直接頂垂直應(yīng)力基本呈“倒U型”分布，充填區(qū)域垂直應(yīng)力隨著充填支護(hù)體寬度的增加也相應(yīng)增大。當(dāng)充填體寬度小于1.2m時(shí)，垂直應(yīng)力呈三角形分布，最大垂直應(yīng)力為8.1MPa；充填體體寬度為1.2至1.8m時(shí)，垂直應(yīng)力分布大致呈梯形分布，最大垂直應(yīng)力為11.1MPa。且充填支護(hù)體寬度大于1.5m后，充填區(qū)域垂直應(yīng)力增幅開始變緩。

3.2.3 充填體寬度對(duì)充填體變形的影響

ICU即重癥監(jiān)護(hù)室，重癥監(jiān)護(hù)室中采用大量的人力物力治療危重癥患者。由于在重癥監(jiān)護(hù)室中的患者多為危重癥患者，所以患者大多是神志不清，甚至處于昏迷狀態(tài)，因此患者的反應(yīng)處于應(yīng)激狀態(tài)，這種狀態(tài)下，患者的很多生命活動(dòng)比如心跳、呼吸、血糖調(diào)節(jié)、體液調(diào)節(jié)等等都處于被動(dòng)的狀態(tài)，所以即使患者的胰島素水平?jīng)]有問題，也容易導(dǎo)致血糖出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，出現(xiàn)低血糖后者是高血糖的癥狀，容易導(dǎo)致死亡。因此，測(cè)評(píng)出ICU中的重癥患者血糖的安全閾值，并將患者的血糖維持在安全水平就顯得尤為重要。目前采用血糖控制護(hù)理方法進(jìn)行護(hù)理對(duì)解決這一問題有極大地幫助。

將高水材料水灰比固定為1.5∶1，分析巷旁充填支護(hù)體寬度對(duì)充填體變形的影響，如圖7所示。

圖7 充填體幫變形曲線

由圖7可知，巷旁充填支護(hù)體的寬度與其變形成反比，且當(dāng)充填支護(hù)體寬度大于1.2m后，充填支護(hù)體整體承載能力和穩(wěn)定性提高，變形量減幅降低。

綜合以上分析，巷旁充填支護(hù)體的寬度時(shí)影響沿空留巷圍巖應(yīng)力和變形的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)充填支護(hù)體寬度大于1.2m時(shí)，圍巖變形逐漸降低、承載能力逐漸增加。但考慮到充填材料成本因素及沿空留巷服務(wù)時(shí)間短，正常推進(jìn)速度(8～10m/d)下，僅一周便進(jìn)行封閉，因此，將巷旁充填支護(hù)體寬度設(shè)定為1.2m。

3.3 不同充填體強(qiáng)度條件下圍巖應(yīng)力和變形

將巷旁充填支護(hù)體寬度固定為1.2m時(shí)，分析在不同水灰比的充填體強(qiáng)度對(duì)沿空留巷圍巖應(yīng)力和圍巖變形的影響。不同強(qiáng)度時(shí)沿空留巷圍巖應(yīng)力分布及巷道變形情況如圖8、圖9所示。

由圖8可知，當(dāng)巷旁充填支護(hù)體寬度不變時(shí)，充填支護(hù)體強(qiáng)度與沿空留巷圍巖應(yīng)力成正比，并且強(qiáng)度越低，應(yīng)力峰值距充填體越近，充填支護(hù)體上部垂直應(yīng)力越小，圍巖變形量越大。

圖8 不同強(qiáng)度時(shí)沿空留巷圍巖應(yīng)力分布

圖9 充填體不同強(qiáng)度時(shí)巷道變形示意圖

由圖9可知，當(dāng)巷旁充填支護(hù)體寬度不變時(shí)，充填支護(hù)體強(qiáng)度與沿空留巷圍巖變形成反比，強(qiáng)度越低，圍巖變形量越大。

根據(jù)上述數(shù)值分析，當(dāng)巷旁充填支護(hù)體寬度為1.2m時(shí)，高水材料水灰比1.5∶1，充填支護(hù)體強(qiáng)度為9MPa，可對(duì)采空區(qū)頂板進(jìn)行有效支撐，減少沿空留巷圍巖變形。

3.4 巷旁充填支護(hù)體參數(shù)確定

數(shù)值分析表明：巷旁充填支護(hù)體的寬度和水灰比均是影響沿空留巷圍巖控制效果的重要因素。綜合考慮充填材料成本因素，當(dāng)寬度為1.2m、水灰比為1.5∶1時(shí)，能使沿空留巷圍巖穩(wěn)定，滿足使用要求。

4 階段式沿空留巷工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)

對(duì)原巷道頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，錨桿間排距1.0×1.0m，錨索間排距2.0×1.0m，保證頂板支護(hù)完整性。

按工作面推進(jìn)度8～10m/d計(jì)算，每天需要充填兩個(gè)充填體，確定每次構(gòu)筑的巷旁支護(hù)體尺寸為長(zhǎng)×寬×高=4m×1.2m×3.5m充填體。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)滿足施工尺寸時(shí)，及時(shí)構(gòu)筑充填體，并對(duì)留巷巷道采用單體液壓支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，柱距1.0m。同時(shí)，為防止頂煤和采空區(qū)矸石涌入充填空間，實(shí)際操作中在端頭支架移架后，及時(shí)施工密集木垛進(jìn)行擋矸和支撐頂板，待充填區(qū)域長(zhǎng)度達(dá)到4m時(shí)，進(jìn)行充填體施工。具體現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)留巷布置如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)留巷布置示意圖(mm)

4.2 巷道變形觀測(cè)

在工作面后方試驗(yàn)巷道內(nèi)每隔10m布置一個(gè)測(cè)站，觀測(cè)巷道頂板、兩幫變形情況，巷道表面相對(duì)移近量和相對(duì)移近速率如圖11所示。

圖11 巷道相對(duì)移近量曲線

由圖11可以看出，①工作面后方巷道圍巖變形分2個(gè)階段，即移近量遞增區(qū)、移近速率穩(wěn)定區(qū)，工作面沿空留巷圍巖活動(dòng)劇烈范圍為工作面后方60m范圍內(nèi)，工作面后方0～40m的范圍頂板下沉量明顯，40～60m頂板下沉趨向穩(wěn)定；②巷道圍巖變形主要以頂板下沉為主，頂?shù)装遄畲笠平啃∮?40mm、兩幫小于70mm。

以上監(jiān)測(cè)表明：階段性留巷巷道頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，留巷期間采用單體液壓支柱加強(qiáng)支護(hù)，巷旁充填體和密集木垛聯(lián)合支護(hù)整體性強(qiáng)，圍巖基本保持完整，在滿足工作面通風(fēng)斷面的同時(shí)，充填體承載能力和抗變形能力基本滿足要求，能適應(yīng)沿空留巷圍巖大變形。

4.3 綜采回風(fēng)瓦斯監(jiān)測(cè)

綜采區(qū)域平均風(fēng)排瓦斯量在15～19m3/min，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍?.2%～0.6%之間；其中工作面1#瓦斯在0.3%～0.6%，平均風(fēng)排瓦斯量在5～10m3/min；沿空留巷2#瓦斯在0.3%～0.8%，平均風(fēng)排瓦斯量在3～4m3/min。

5 結(jié) 論

1)大采高階段式沿空留巷解決了上隅角瓦斯超限問題，同時(shí)使巷旁充填體服務(wù)周期縮短，提高了煤炭資源采出率。

2)基于304工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，得出巷旁充填支護(hù)體寬度為1.2m、高水材料水灰比1.5∶1時(shí)，沿空留巷圍巖基本得到控制，沿空留巷維護(hù)效果良好且回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定控制在0.8%以下，滿足工作面回風(fēng)要求。

3)階段式沿空留巷技術(shù)的成功開展，解決了上隅角瓦斯和回風(fēng)巷瓦斯超限的問題，改善了工作面的通風(fēng)系統(tǒng)，降低了回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛?，是?yōu)化單一煤層工作面通風(fēng)系統(tǒng)、適應(yīng)《規(guī)程》取消尾巷的一次有益嘗試。