宋光遠(yuǎn) 冉德旺 鄭帥亮

（1.徐州中礦大貝克福爾科技股份有限公司，江蘇 徐州 221116；2.山西中礦充填科技有限公司，山西 長(zhǎng)治 046699；3.山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 046100）

高河能源為解決“三下”壓煤和矸石外排問(wèn)題，于2020 年成功投產(chǎn)了E1302 膏體充填工作面。高河能源開(kāi)采3 號(hào)煤層平均厚度為6.38 m，為厚煤層。為保證充填開(kāi)采的安全、有效，E1302 膏體充填工作面采用分層開(kāi)采，先開(kāi)采上分層，為方便下分層工作面的充填開(kāi)采，采用沿空留巷無(wú)煤柱護(hù)巷。為了探明膏體充填工作面沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并為后續(xù)膏體充填工作面的開(kāi)采提供指導(dǎo)，對(duì)E1302膏體充填工作面的覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律和沿空留巷圍巖變形進(jìn)行了觀測(cè)分析。

1 工作面概況

E1302 膏體充填工作面為東一盤(pán)區(qū)工作面，東邊距礦井邊界185 m，為未采區(qū)，西邊為E1303 工作面采空區(qū)，南邊為E1302 放頂煤工作面采空區(qū)，北邊為+450 m 水平東翼大巷。工作面走向長(zhǎng)度為390 m，傾向長(zhǎng)度為230 m，底板標(biāo)高+466.558～+499.138 m，埋藏深度為404.662～425.220 m。3 號(hào)煤層距9 號(hào)煤層平均距離59.9 m，煤層厚度較穩(wěn)定（局部出現(xiàn)煤層厚度增加、傾角變大現(xiàn)象），煤厚6.2～7.5 m，平均厚度6.38 m，煤體普氏硬度系數(shù)f=0.7，該工作面內(nèi)煤層傾角3°～15°，工作面平均角度8°。3號(hào)煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖；底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖砂巖，詳見(jiàn)表1。

表1 3 號(hào)煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

E1302 膏體充填工作面，采用矸石膏體進(jìn)行充填，工作面和兩端頭用充填支架進(jìn)行隔離，工作面兩道順槽均做沿空留巷處理，巷道內(nèi)支護(hù)方式為巷道掘進(jìn)期間的錨桿錨索支護(hù)。

2 膏體充填工作面覆巖運(yùn)動(dòng)分析

膏體充填開(kāi)采與普通綜采相比最大的不同點(diǎn)就是兩種開(kāi)采方法對(duì)采空區(qū)頂板控制方式的不同[1-2]。兩種開(kāi)采方法的覆巖運(yùn)動(dòng)情況如圖1 和圖2。

如圖1 所示，普通綜采垮落法開(kāi)采時(shí)，隨著工作面的不斷回采，直接頂直接垮落，而基本頂會(huì)先形成一種懸臂梁的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其懸露的長(zhǎng)度達(dá)到一定值后，其自身的強(qiáng)度不能支撐其自重以及上覆巖層傳遞的力，進(jìn)而發(fā)生周期性斷裂。因?yàn)橹芷趤?lái)壓的影響，采空區(qū)上方會(huì)形成明顯的垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶三帶特征，進(jìn)而影響地表，使地表發(fā)生明顯的彎曲下沉。同時(shí)，周期來(lái)壓發(fā)生時(shí)，礦山壓力突然增大，加大巷道變形的程度，對(duì)沿空留巷影響較大[3-4]。

圖1 普通綜采垮落法采空區(qū)覆巖運(yùn)動(dòng)情況

如圖2 所示，膏體充填開(kāi)采時(shí)由于采用質(zhì)地緊密的矸石膏體對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，相當(dāng)于使用矸石膏體替代煤層支撐上覆巖層，使直接頂沒(méi)有了垮落空間，進(jìn)而直接頂及其上覆巖層不會(huì)再進(jìn)行垮落，與普通綜采垮落法相比，不會(huì)形成明顯的三帶特征，可以使地表得到有效的保護(hù)。同時(shí)，由于矸石膏體有效支撐了采空區(qū)頂板，采煤工作面不會(huì)產(chǎn)生明顯的周期來(lái)壓現(xiàn)象，礦山壓力顯現(xiàn)不劇烈，改變了傳統(tǒng)綜采垮落法的“煤-巖”受力結(jié)構(gòu)，減少了巷道變形程度，使沿空留巷得到了有效的保護(hù)。

圖2 膏體充填開(kāi)采采空區(qū)覆巖運(yùn)動(dòng)情況

3 礦壓監(jiān)測(cè)分析

3.1 礦壓監(jiān)測(cè)方案

為了研究膏體充填工作面沿空留巷的巷道圍巖變形規(guī)律，在E1302 膏體充填工作面進(jìn)風(fēng)順槽沿空留巷依次布置5 個(gè)測(cè)站，測(cè)站與工作面距離分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m。隨著工作面的不斷推進(jìn)，持續(xù)對(duì)測(cè)站進(jìn)行了20 次觀測(cè)。主要觀測(cè)內(nèi)容為各個(gè)測(cè)站的頂?shù)装逡七M(jìn)量和兩幫移進(jìn)量，在每個(gè)測(cè)站的頂、底板和兩幫的中部各布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)。采用“十字測(cè)量法”，用測(cè)桿或鋼尺進(jìn)行量測(cè)，分別測(cè)量OA、OB、OC、OD 的距離，求得頂?shù)装逑鄬?duì)移近量、兩幫的相對(duì)移近量[5]。

3.2 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果處理分析

選取1#測(cè)站的數(shù)據(jù)對(duì)其頂?shù)装逡七M(jìn)量和兩幫移進(jìn)量以及移進(jìn)速度進(jìn)行處理分析，得到E1302 膏體充填工作面進(jìn)風(fēng)順槽沿空留巷圍巖變形量和變形速度結(jié)果如圖3 和圖4。

圖3 沿空留巷圍巖變形圖

圖4 沿空留巷圍巖變形速度圖

由圖3 和圖4 可以看出，膏體充填工作面沿空留巷的變形可以按照四個(gè)階段進(jìn)行劃分，即第一階段（緩慢變形階段）、第二階段（急劇變形階段）、第三階段（衰減變形階段）、第四階段（穩(wěn)定變形階段）。

在緩慢變形階段，由于此時(shí)距離工作面比較近，在22 m 范圍內(nèi)，此時(shí)采空區(qū)的上覆巖層由工作面煤壁、充填液壓支架以及剛剛初凝后的膏體共同承載，除此之外基本頂仍然可以維持自重和上覆巖層的重量不會(huì)發(fā)生斷裂。以上因素共同阻止了上覆巖層的離層垮落，所以此階段沿空留巷只有微小變形。

在急劇變形階段，隨著工作面繼續(xù)往前推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層全部由充填體支撐。由于推進(jìn)距離的增加，工作面會(huì)有輕微的周期來(lái)壓現(xiàn)象。隨著基本頂出現(xiàn)斷裂，礦山壓力顯現(xiàn)，充填體被壓縮，沿空留巷出現(xiàn)明顯變形現(xiàn)象，巷道頂板下沉，底板底鼓，兩幫內(nèi)擠劇烈，頂?shù)装逡七M(jìn)速度和兩幫移進(jìn)速度最大值均達(dá)到了3 mm/d。

在衰減變形階段，周期來(lái)壓結(jié)束，上覆巖層活動(dòng)重新趨于穩(wěn)定狀態(tài)，與此同時(shí)矸石膏體逐漸凝固，具有了一定的單軸抗壓強(qiáng)度，對(duì)上覆巖層的承載力有了進(jìn)一步的增強(qiáng)，因此沿空留巷變形速度出現(xiàn)逐步下降。

在穩(wěn)定變形階段，矸石膏體已經(jīng)徹底凝固達(dá)到設(shè)計(jì)的抗壓強(qiáng)度，此時(shí)距離工作面已經(jīng)超過(guò)50 m的范圍，充填體上覆巖層不再出現(xiàn)劇烈運(yùn)動(dòng)，此時(shí)充填體和上覆巖層構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的整體，因此沿空留巷的變形速度趨于平穩(wěn)并保持在較低的數(shù)值，頂?shù)装搴蛢蓭鸵七M(jìn)速度最大值均不超過(guò)1 mm/d。

3.3 充填體應(yīng)力數(shù)值模擬分析

為了揭示充填體內(nèi)的應(yīng)力分布對(duì)沿空留巷圍巖變形的影響，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)距切眼300 m 處工作面的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析研究，從而分析該階段工作面應(yīng)力分布。此時(shí)工作面的東側(cè)、西側(cè)和北側(cè)（工作面前方）三側(cè)均為實(shí)體煤，工作面后方為充填體，如圖5。

圖5 工作面俯視應(yīng)力云圖

從圖5 可以看出，充填體內(nèi)部的應(yīng)力分布隨著工作面的推進(jìn)可以明顯地分為三個(gè)階段：初始應(yīng)力階段、應(yīng)力升高階段和應(yīng)力平穩(wěn)階段。在初始應(yīng)力階段，由于采空區(qū)上覆巖層由充填體、充填支架和基本頂共同作用，充填體受力較小。在應(yīng)力升高區(qū)，由于工作面前移，上覆巖層發(fā)生運(yùn)動(dòng)，充填體獨(dú)自支撐所有巖重，充填體逐漸被壓實(shí)，應(yīng)力隨之升高。在應(yīng)力平穩(wěn)區(qū)，充填體被徹底壓實(shí)，可以長(zhǎng)期保證上覆巖層穩(wěn)定，應(yīng)力處于平穩(wěn)階段。充填體應(yīng)力變化和沿空留巷圍巖變形基本一致，因此膏體充填對(duì)沿空留巷有著積極的作用。

4 結(jié)論

（1）膏體充填和普通綜采垮落法相比，由于矸石膏體代替煤炭支撐了上覆巖層，不會(huì)出現(xiàn)明顯周期來(lái)壓顯現(xiàn)，對(duì)沿空留巷的實(shí)施提供了有力的支持。

（2）膏體充填工作面沿空留巷圍巖變形大致分為四個(gè)階段即緩慢變形階段、急劇變形階段、衰減變形階段和穩(wěn)定變形階段。在巷道急劇變形階段即距離工作面25～35 m 的范圍內(nèi)要加強(qiáng)支護(hù)。

（3）膏體充填工作面沿空留巷，頂?shù)装逡七M(jìn)量和移進(jìn)速度整體大于兩幫移進(jìn)量和移進(jìn)速度，巷道圍巖變形量較小，充填體對(duì)沿空留巷起到了積極的保護(hù)作用。