鄢德恒

(山西呂梁離石金暉榮泰煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000)

無煤柱巷旁充填沿空留巷技術(shù)提高了煤炭資源采出率，緩解了采掘接替緊張局面，解決了上隅角瓦斯聚集等問題，是煤炭資源科學(xué)開采的主要技術(shù)之一[1-4]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)無煤柱巷旁充填沿空留巷技術(shù)進(jìn)行了諸多理論與技術(shù)研究，主要在沿空留巷巷旁充填材料[5-7]、巷旁充填體合理寬度[8-10]、巷旁支護(hù)技術(shù)[11-16]、巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)[17，18]、留巷圍巖應(yīng)力及變形破壞規(guī)律[19-22]等方面取得了較大進(jìn)展。

巖體體積與形態(tài)的變化是由于物體在外力作用下的結(jié)果，研究表明[23，24]各向相等的應(yīng)力(球應(yīng)力)控制巖體體積的改變，偏應(yīng)力控制巖體形狀(塑性變形及破壞)的改變。偏應(yīng)力綜合考量了圍巖最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力與最小主應(yīng)力，克服了單一應(yīng)力指標(biāo)衡量圍巖破壞機(jī)制的局限性，更加符合圍巖破壞的本質(zhì)[25]。學(xué)者們以偏應(yīng)力為指標(biāo)研究了充填沿空留巷圍巖破壞特征及穩(wěn)定性控制[26]、非均勻應(yīng)力場條件下的圓形巷道圍巖變形破壞特征[27]、近距離煤層殘余煤柱底板偏應(yīng)力分布特征[28，29]，闡明了偏應(yīng)力對(duì)于研究井下圍巖塑性變形及破壞的指導(dǎo)意義。登茂通公司2202綜采工作面沿空留巷與傳統(tǒng)沿空留巷相比，主要存在以下特點(diǎn)：①巷旁充填材料方面：巷旁充填體為水灰比為1.6∶1的高水材料，與傳統(tǒng)充填材料如混凝土、膏體、矸石等性質(zhì)完全不同；②巷旁充填體寬度方面：2202綜采工作面沿空留巷巷旁充填體寬度僅為1.4m，屬于窄巷旁充填墻體。鑒于此，2202工作面沿空留巷圍巖控制難度極大，本文以偏應(yīng)力為分析指標(biāo)，對(duì)登茂通公司2202綜采工作面高水材料窄巷旁充填沿空留巷圍巖偏應(yīng)力分布特征及失穩(wěn)破壞機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究，針對(duì)性提出了2202綜采工作面留巷圍巖分區(qū)域非對(duì)稱綜合控制技術(shù)，現(xiàn)場工程實(shí)踐驗(yàn)證了該綜合控制技術(shù)的合理性，研究成果可為類似地質(zhì)條件下的無煤柱窄巷旁充填沿空留巷圍巖控制提供一定參考。

1 工程概況

登茂通煤業(yè)有限公司井田位于安澤縣唐城鎮(zhèn)，主要開采2號(hào)和3號(hào)煤層。2202綜采工作面位于2號(hào)煤層二采區(qū)，煤層底板標(biāo)高828.2～869.5m，地面標(biāo)高1195～1285m，可采走向長度963.5m，傾斜長度215m，平均煤厚1.55m，煤層傾角為2°～7°，平均4°。工作面煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，厚度無明顯變化，直接頂為厚度6.85m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為厚度2.60m的細(xì)粒砂巖，直接底為厚度4.20m的泥巖。工作面內(nèi)巖層柱狀如圖1所示。

圖1 巖層柱狀

工作面北部為二采區(qū)運(yùn)輸巷，西部為2204工作面，工作面東北部為山西泓翔煤業(yè)有限公司2102工作面采空區(qū)，東部為山西蘭花寶欣煤業(yè)有限公司未采區(qū)域，南部為山西宏昌煤業(yè)有限公司未開采區(qū)域。工作面布置如圖2所示。2202工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷沿煤層底板掘進(jìn)，采用寬1.4m高水材料巷旁充填原位沿空留巷的方式保留下來，供下個(gè)工作面繼續(xù)使用，巷道斷面為5.0m×3.0m。

圖2 2202工作面布置

2 高水充填材料基本性質(zhì)

高水充填材料是由甲料和乙料按1∶1的比例組成，其中甲料主要為硫鋁酸鹽水泥熟料、緩凝劑和懸浮劑等，乙料則為主要由石膏、石灰、速凝劑和懸浮劑等構(gòu)成。高水材料在使用時(shí)將甲料和乙料分別以固定水灰比加水混合攪拌成甲乙兩種料漿，根據(jù)國家高水材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這兩種料漿在單獨(dú)存在時(shí)可24h內(nèi)不凝固，而在兩種料漿混合后則在20min內(nèi)快速凝固并具有一定的強(qiáng)度，具有早強(qiáng)速凝的優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)場施工時(shí)可起到快速接頂?shù)闹匾饔谩?/p>

為保證窄高水材料巷旁充填沿空留巷時(shí)巷旁充填體的強(qiáng)度，本文高水材料的水灰比選擇1.6∶1，并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)不同齡期的高水材料進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，研究其力學(xué)特性。試驗(yàn)過程中選用尺寸為?50mm×100mm的PVC管可拆卸模具，在配制好甲乙兩種料漿后將兩種料漿混合攪拌倒入模具中，兩小時(shí)后拆模，將試樣放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱(溫度25±2℃，相對(duì)濕度95±2%)中養(yǎng)護(hù)不同齡期(1d，3d，7d，14d，28d)后，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，單軸壓縮試驗(yàn)采用位移加載，加載速率為2mm/min。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每一齡期制備4塊試樣，試驗(yàn)結(jié)果取數(shù)值平均值，并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤差。本次試驗(yàn)共配制試樣20塊。

不同齡期高水材料的單軸抗壓強(qiáng)度如圖3所示，由圖3可知，高水材料在甲、乙料漿混合后快速凝固，1d單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.2MPa，且在7d內(nèi)強(qiáng)度快速升高，后期強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。通過對(duì)比7d強(qiáng)度和28d最終強(qiáng)度，可知高水材料的7d強(qiáng)度即達(dá)到最終強(qiáng)度的95%以上，進(jìn)一步證明了高水材料速凝早強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可在現(xiàn)場實(shí)踐中達(dá)到快速接頂?shù)哪康摹?/p>

圖3 不同齡期高水材料的單軸抗壓強(qiáng)度

3 巷道圍巖破壞失穩(wěn)數(shù)值模擬分析

為研究高水材料窄巷旁充填沿空留巷圍巖失穩(wěn)破壞特性，根據(jù)登茂通公司2202綜采工作面地質(zhì)條件，采用FLAC3D三維空間數(shù)值分析軟件構(gòu)建窄高水材料巷旁充填沿空留巷圍巖偏應(yīng)力演化數(shù)值計(jì)算模型，研究工作面未回采前、本工作面回采后巷道圍巖偏應(yīng)力分布及演化特征，為制定留巷圍巖穩(wěn)定性控制方案提供理論依據(jù)。模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)關(guān)系準(zhǔn)則。三維數(shù)值計(jì)算模型中工作面傾向方向取140m，2202工作面推進(jìn)方向(沿空留巷軸向)取200m，垂直方向取為100m。2202工作面回采100m時(shí)空間三維分布的偏應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 2202工作面回采100m時(shí)空間三維分布的偏應(yīng)力分布

超前工作面不同位置的輔助進(jìn)風(fēng)巷偏應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 超前工作面不同位置的輔助進(jìn)風(fēng)巷偏應(yīng)力分布(Pa)

隨著超前工作面距離的不斷增加，偏應(yīng)力峰值位置逐漸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏應(yīng)力峰值大小逐漸減小，說明越靠近工作面巷道受采動(dòng)影響越劇烈。超前2202工作面40m范圍內(nèi)的輔助進(jìn)風(fēng)巷周圍形成以巷道右上肩角與左下肩角為邊界的偏應(yīng)力殼，偏應(yīng)力峰值帶主要集中在巷道右上肩角與左下肩角。

當(dāng)超前工作面距離大于50m時(shí)，偏應(yīng)力殼位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)，輔助進(jìn)風(fēng)巷頂?shù)装濉蓭推珣?yīng)力分布近似呈對(duì)稱狀分布，周圍形成以巷道頂?shù)装迮c巷幫淺部圍巖為邊界的偏應(yīng)力殼。輔助進(jìn)風(fēng)巷開挖穩(wěn)定后偏應(yīng)力峰值帶主要集中在巷道頂?shù)装鍑鷰r深部處，尤其在巷道底板，巷道穩(wěn)定后的頂板偏應(yīng)力峰值帶距巷道表面距離約為3.47m，底板約為3.53m，兩幫偏應(yīng)力峰值明顯小于頂?shù)装澹瑢?shí)體煤幫圍巖偏應(yīng)力峰值帶距離約為2.19m，回采幫約為2.45m。

2202工作面回采后留巷圍巖偏應(yīng)力分布如圖6所示。2202工作面回采且留巷完成后，留巷淺部圍巖偏應(yīng)力值均小于3MPa，隨著距留巷表面位移的增大，圍巖偏應(yīng)力值逐漸增加。滯后工作面距離超過30m時(shí)，留巷圍巖偏應(yīng)力峰值帶主要集中于實(shí)體煤幫，此時(shí)，圍巖穩(wěn)定后的實(shí)體煤側(cè)偏應(yīng)力峰值距巷道表面約為3.6m；當(dāng)滯后工作面距離小于20m時(shí)，留巷圍巖偏應(yīng)力峰值帶向留巷頂板深部拓展，其峰值帶主要集中于實(shí)體煤幫及實(shí)體煤側(cè)頂板處，近似呈開口向留巷側(cè)的“拋物線”狀分布形態(tài)，此時(shí)，實(shí)體煤側(cè)偏應(yīng)力峰值距巷道表面約為4m。留巷頂板方向偏應(yīng)力峰值呈回采側(cè)向?qū)嶓w煤側(cè)頂板逐漸增加的趨勢(shì)，且留巷頂板方向偏應(yīng)力峰值距離呈回采側(cè)向?qū)嶓w煤側(cè)逐漸減小的趨勢(shì)。

綜上，工作面回采且留巷完成后，留巷圍巖偏應(yīng)力峰值主要集中于兩個(gè)地方，即實(shí)體煤幫與實(shí)體煤側(cè)頂板處。因此，留巷實(shí)體煤幫、實(shí)體煤側(cè)頂板為重點(diǎn)控制區(qū)域，支護(hù)時(shí)需保證錨索桿體穿過實(shí)體煤幫及頂板圍巖偏應(yīng)力峰值帶位置，從而將2202留巷淺部破壞圍巖錨固至深部較穩(wěn)定巖層中。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 巷旁高水材料充填工藝與流程

在二采區(qū)軌道巷布置高水材料雙液注漿泵站，安裝注漿泵兩臺(tái)，一備一用，從泵站至2202輔助進(jìn)風(fēng)巷鋪設(shè)兩趟?32mm高壓膠管，用管路鉤懸掛于輔助進(jìn)風(fēng)巷幫上。高水材料分別制成甲料漿、乙料漿，雙液注漿泵分別對(duì)兩種漿液加壓，雙趟?32mm高壓膠管輸送漿液，在充填點(diǎn)混合，甲、乙料漿單獨(dú)攪拌、輸送均不凝固，混合后能快速凝固。充填工藝及流程如圖7所示。

圖7 充填工藝流程

4.2 沿空留巷支護(hù)對(duì)策分析及控制技術(shù)

綜合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試高水材料單軸抗壓強(qiáng)度及沿空留巷圍巖數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，沿空留巷實(shí)體煤幫、實(shí)體煤側(cè)頂板為重點(diǎn)控制區(qū)域，支護(hù)時(shí)需分別垂直巷道頂板、實(shí)體煤幫施工長錨索，保證將淺部破壞圍巖錨固至深部未破壞巖體中，將深淺部圍巖通過長錨索聯(lián)接成一個(gè)整體，共同抵御圍巖受工作面劇烈擾動(dòng)影響。為保證充填墻體在經(jīng)歷本工作面及二次采動(dòng)期間護(hù)巷穩(wěn)定性，需采用對(duì)拉錨桿配合鋼筋梯子梁加固巷旁高水材料充填墻體。基于此，提出2202沿空留巷“頂板長錨索+巷內(nèi)三排單體柱+巷旁充填墻體預(yù)緊錨桿輔以單體柱護(hù)墻+實(shí)體煤幫補(bǔ)強(qiáng)長錨索”非對(duì)稱組合支護(hù)技術(shù)。

4.2.1 留巷期間主要支護(hù)參數(shù)

留巷期間主要支護(hù)參數(shù)如圖8所示。工作面割煤后先推刮板輸送機(jī)，在機(jī)尾端頭5架支架(140#—144#)前頂板鋪菱形金屬網(wǎng)，為了確保沿空留巷期間作業(yè)人員的安全，在充填體與采空區(qū)之間安設(shè)一架擋矸支架(145#)。移架后在143#支架后方和實(shí)體煤側(cè)幫順工作面各打設(shè)“一排鉸接頂梁+單體支柱支護(hù)”，143#支架后方單體柱間距0.4m，據(jù)擋矸支架0.4m，實(shí)體煤側(cè)單體柱間距1.2m，距煤幫1.0m。單體柱支撐牢靠后143#—144#架后施工錨桿支護(hù)頂板，錨桿間排距1.2m×1.2m，每排3根。之后施工護(hù)模單體和切頂密柱加強(qiáng)支護(hù)，護(hù)模單體間距0.4m、距充填墻體0.1m；切頂密柱間距0.3m，2排交錯(cuò)布置。充填體采用對(duì)拉錨桿加強(qiáng)支護(hù)，對(duì)拉錨桿間距0.8m，排距0.7m，最下面一根距底板0.3m。在實(shí)際開采過程中，由于地質(zhì)情況較為復(fù)雜，因此在部分開采段的工作面端頭進(jìn)行了割頂。

圖8 留巷期間支護(hù)方案(m)

沿空留墻充填完成3h后回撤護(hù)模單體和143#支架后方單體，之后采用2排單體柱配合鉸接頂梁加強(qiáng)支護(hù)，第1排距充填墻體0.3m，第2排距第1排0.5m，單體柱間距0.6m。充填后支護(hù)方案如圖9(c)所示。

4.2.2 留巷完成后主要支護(hù)參數(shù)

留巷完成后支護(hù)方案如圖9所示。

圖9 留巷完成后支護(hù)方案(mm)

1)頂板采用“錨桿+錨索+菱形金屬網(wǎng)”支護(hù)。每排錨索為6根，靠近實(shí)體煤幫側(cè)的5根垂直頂板施工，直徑17.8mm，長度6200mm，間排距為1000mm×1000mm；靠近充填墻體的1根與頂板夾角30°，直徑17.8mm，長度4200mm，距垂直錨索500mm，排距1000mm。每排錨桿為1根，與靠近充填墻體錨索交錯(cuò)施工，與頂板夾角10°，直徑20mm，長度2000mm。錨索之間配合鋼筋梯子梁連接。

2)實(shí)體煤幫采用“錨桿+錨索+菱形金屬網(wǎng)”支護(hù)。每排施工4根錨桿、1根錨索，頂錨桿距頂板200mm，角錨桿與水平線夾角為10°，錨桿直徑20mm，長度2000mm，間排距為800mm×1000mm。錨索在巷幫中部垂直巷幫施工，直徑17.8mm，長度5300mm，排距為1000mm。留巷頂板支護(hù)方式：頂板全錨索支護(hù)。

4.3 留巷圍巖礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

為觀察分析2202工作面沿空留巷高水充填墻體的穩(wěn)定性特征，沿充填墻體寬度方向每隔0.30m布置1個(gè)YZ系列液壓枕，用于監(jiān)測(cè)2202工作面推進(jìn)不同距離后巷旁充填體的受力狀態(tài)。工作面分別推過5m，25m，45m，65m和85m后高水材料充填體內(nèi)液壓枕的壓力監(jiān)測(cè)曲線如圖10所示。

圖10 巷旁充填體壓力枕壓力檢測(cè)曲線

從圖10可以看出，高水材料充填體中部承受頂板載荷最大，且高水材料充填初期靠近采空區(qū)側(cè)載荷明顯大于實(shí)體煤側(cè)，隨工作面推過距離的增大靠近實(shí)體煤側(cè)充填體載荷逐漸大于采空區(qū)側(cè)，這主要是由于基本頂發(fā)生周期性破斷引起的；工作面后方5m位置處，巷旁充填體中部載荷值最大為1.39MPa，待工作面回采距離超過65m后，高水材料充填體內(nèi)載荷水平整體近似趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后充填體內(nèi)壓力峰值穩(wěn)定在2.22MPa左右。結(jié)合1.6∶1高水材料充填體實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及2202工作面巷旁充填工藝分析得出，高水材料充填墻體穩(wěn)定后的載荷約為單軸抗壓強(qiáng)度的55.23%，且現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)充填體有明顯破壞發(fā)生，因此巷旁高水充填墻體完整性較好。

工作面回采后，在留巷不同位置布置測(cè)站觀測(cè)巷道圍巖變形情況，分析2202工作面沿空留巷圍巖控制效果。觀測(cè)指標(biāo)選擇留巷后巷中頂?shù)装迮c兩幫相對(duì)最大移近量，觀測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖11 留巷圍巖移近量觀測(cè)曲線

從圖11可知，2202工作面推過50m后留巷的頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量迅速增加，且兩幫相對(duì)移近量增長速度明顯大于頂?shù)装?，此階段為留巷圍巖變形快速增長階段；回采工作面推過50～90m時(shí)，留巷兩幫與頂?shù)装逦灰圃鲩L速度逐漸變緩，進(jìn)入留巷圍巖變形緩慢增長階段；待工作面推過90m后留巷圍巖變形量近似不再增長，此時(shí)留巷圍巖受本工作面回采擾動(dòng)后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后留巷頂?shù)装迮c兩幫變形量分別為310mm、330mm，且未發(fā)生錨桿索系統(tǒng)損毀等現(xiàn)象。因此，上述非對(duì)稱組合支護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了1.4m窄高水材料巷旁充填沿空留巷圍巖變形的有效控制。

5 結(jié) 論

1)超前工作面40m范圍內(nèi)的巷道圍巖偏應(yīng)力峰值帶主要集中在巷道右上肩角與左下肩角，超前工作面距離大于50m時(shí)的圍巖偏應(yīng)力峰值帶主要集中在巷道頂?shù)装鍑鷰r深部處，且近似呈對(duì)稱狀分布；超前工作面巷道穩(wěn)定后的頂板偏應(yīng)力峰值帶距巷道表面距離約為3.47m，底板約為3.53m，實(shí)體煤幫圍巖偏應(yīng)力峰值帶距離約為2.19m，回采幫約為2.45m。

2)2202工作面回采且留巷完成后，滯后工作面距離超過30m時(shí)，留巷圍巖偏應(yīng)力峰值帶主要集中于實(shí)體煤幫；當(dāng)滯后工作面距離小于20m時(shí)，留巷圍巖偏應(yīng)力峰值帶向留巷頂板深部拓展，其峰值帶主要集中于實(shí)體煤幫及實(shí)體煤側(cè)頂板處，近似呈開口向留巷側(cè)的“拋物線”狀分布形態(tài)。

3)基于高水材料窄巷旁充填沿空留巷圍巖偏應(yīng)力分布規(guī)律，揭示了留巷實(shí)體煤幫及其頂板為重點(diǎn)控制區(qū)域，提出了支護(hù)時(shí)需保證錨索桿體穿過實(shí)體煤幫及頂板圍巖偏應(yīng)力峰值帶位置的支護(hù)理念。

4)提出高水材料窄巷旁充填沿空留巷圍巖采用“頂板全錨索支護(hù)+巷內(nèi)三排單體支柱+實(shí)體煤側(cè)補(bǔ)強(qiáng)錨索加固+巷旁高水材料充填墻對(duì)拉預(yù)緊錨桿”并輔以單體柱護(hù)墻+采空區(qū)側(cè)單體柱撐頂并輔以錨桿加固頂板的分區(qū)域非對(duì)稱綜合控制技術(shù)，工程實(shí)踐證明1.4m窄高水材料巷旁充填沿空留巷圍巖控制效果較好，保障了留巷圍巖的安全穩(wěn)定。