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铝基高固水巷旁充填沿空留巷技术研究与应用

2024-11-04 110 上传者：管理员

摘要：文章通过研究铝基高固水巷旁充填沿空留巷技术，在增加巷旁支护强度的同时解决沿空留巷密闭性差的问题。研究结果表明：铝基高固水充填材料抗压强度高，且柔模墙具有残余承载能力，其性能优于传统充填材料。在合理确定充填体材料参数和施工工艺的基础上开展了现场工业性试验，留巷阶段巷道变形控制良好，能满足下个工作面作为回风巷的使用要求。

关键词：
巷旁充填
巷道变形
沿空留巷
资源采出率
铝基高固水
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无煤柱沿空留巷技术具有提高资源采出率，降低矿井掘进率，降低工作面温度等优点[1-3]。该技术的应用能够合理解决采掘接替紧张、上隅角瓦斯积聚、工作面作业环境恶劣等难题[4-5]。但目前主流的切顶巷旁挡矸沿空留巷由于密闭性和支护强度较差，因此存在漏风、有害气体交换和二次采动影响等问题[6]。

鹿台山矿在以往的切顶卸压巷旁挡矸沿空留巷过程中积累了诸多宝贵的经验，但随着开采强度的增加，留巷巷道出现密闭性差、巷道变形大等问题，导致大量采空区瓦斯进入回风巷，回风巷风排瓦斯量超标。基于此，拟研究铝基高固水巷旁充填沿空留巷技术，在增加巷旁支护强度的同时解决沿空留巷密闭性差的问题。

1、工程概况

鹿台山2206工作面平均煤厚2.2 m, 平均埋深350 m.直接顶砂质泥岩，老顶细粒砂岩，顶板岩石硬度系数8～10.底板为泥岩，老底为石英夹杂砂岩。系统采用“三条巷道+两条切眼”布置，实现“Y”型通风。其中2205巷道为主进风巷(运输巷),2206巷道为副进风巷(轨道巷),2207工作面切眼、2207巷道和2206巷道沿空留巷段组成2206工作面回风系统。其中，2206巷道净宽5 m, 高2.8 m, 断面14 m2,如图1所示。

2、巷旁充填体参数研究

2.1 铝基高固水充填材料性能研究

铝基高固水充填材料属于双液型快速凝固材料，每种材料按照特定水灰质量比搅拌后长时间不会单独凝固，为运输和泵送创造了有利条件，而双液结合并搅拌后可以实现快速固结并达到较高强度。与高水或混凝土充填材料相比，具有以下优点：①实现结石率100%;②混合后凝固快且强度上限高；③可接受的变形大，残余强度高；④膨胀性好，接顶效果有所改善；⑤强度可调，工程适应性好；⑥水灰质量比高，材料消耗量小。

图1 工作面布置图

铝基高固水充填材料的特点之一是水灰质量比可调，通过改变水灰质量比可以满足不同强度要求，而在相同水灰质量比的条件下，铝基高固水材料的强度高于普通混凝土。通过不同水灰质量比下的抗压强度试验，得出如图2所示的强度变化曲线。综合考虑材料用量及强度要求，最终选择水灰质量比1.5∶1进行配比。通过高精度应力应变仪测试得出该水灰质量比条件下材料凝固7 d后的特征曲线如图3所示。

应力-应变曲线显示，铝基高固水充填材料在载荷达到峰值强度10.5 MPa后，仍具有一定的承载能力，并在应变9%～18%范围内可保留60%以上的抗压强度。随着应变的继续增加，抗压强度也呈现出缓慢下降趋势。而普通水泥混凝土在达到破坏载荷后抗压强度则会骤降，因此铝基高固水充填材料更加符合沿空留巷的技术需求。

图2 水灰质量比与抗压强度关系

图3 全应力应变曲线

2.2 充填体合理宽度模拟研究

以鹿台山煤业2206工作面巷道的生产地质条件为背景，结合以往沿空留巷数值模型的相关研究，为了简化计算过程，建立如图4所示的模型。

图4 模型示意

该平面模型宽度为125 m、高度为41 m、厚度为1 m, 工作面位于运输巷左侧，为使模型能够达到平衡，在工作面回采之后，用极低强度模型填充采空区以模拟采空区初步垮落后的承载特征。为了便于研究，对运输巷周边局部加密。将模型左右、前后边界固定，顶部采用应力边界。模型计算过程采用摩尔-库仑屈服准则进行判定：

式中：σ1为第一主应力，MPa;σ3为第三主应力，MPa;C为内聚力，MPa;φ为内摩擦角，°。

模型经过计算，当fs<0时，材料发生剪切破坏。

计算流程分为以下几个步骤：构建模型—平衡原岩应力场—开挖2206巷道—工作面回采—沿空留巷巷旁柔模充填支护—计算结果输出，模型计算的各力学参数如表1所示。

表1模型物理力学参数

原巷道宽度5 m、留巷宽度4.2 m, 巷旁充填体宽度以1.0 m为基准，分别确立0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m和1.6 m六种方案，通过留巷巷道塑性破坏范围及顶板下沉量来确定合理柔模充填宽度。由于本次使用有限元进行分析，因此，采空区采用极软材料填充模拟。

应用数值模拟，巷旁充填体宽度从0.6 m增大到1.6 m的过程中，对应巷道塑性区分布如图5所示，充填体宽度与实体煤帮塑性区关系如图6所示。

图5 留巷巷道塑性区分布对比图

图6 充填体宽度与实体煤帮塑性区关系

模拟结果表明，留巷巷道帮部、顶板及巷旁充填体均以剪切破坏为主，底板主要为拉伸破坏。巷旁充填体宽度越大，则留巷巷道围岩塑性区范围越小，充填体宽度从0.6 m增大到1.6 m的过程中，实体煤帮剪切破坏范围从2.6 m减小到1.4 m, 巷道底板拉伸破坏范围从0.8 m减小到0.4 m, 顶板剪切破坏范围也相应减小，其中充填体宽度从1.0 m增大到1.2 m时，对应实体煤帮剪切破坏范围显著减小，从2.2 m减小到1.6 m, 减小幅度达到0.6 m, 说明1.2 m宽度的巷旁充填体可以有效阻止实体煤帮塑性区的扩展，而进一步增加宽度对塑性区的影响不大。

留巷巷道不同巷旁充填体宽度条件下顶板下沉量变化曲线如图7所示，根据模拟结果，当巷旁充填体选取的宽度不同时，顶板的下沉量存在显著差异。随着巷旁充填体宽度的增加，顶板下沉量整体呈减小趋势，具体表现为：充填体宽度从0.6 m开始，每增大0.2 m, 顶板下沉量减小8～12 mm; 而当充填体宽度从1.0 m增大到1.2 m时，相应的顶板下沉量减小幅度高达26 mm左右；之后当充填体宽度继续增加时，顶板下沉量减小不明显，仅为5～9 mm.

图7 充填体宽度与顶板下沉量关系曲线图

顶板最大下沉量伴随充填体宽度的降低不断变大，特别是当充填体宽度从1 m增大到1.2 m时，顶板下沉量幅度显著减小，表明巷旁充填体宽度选取1.2 m时，对巷道顶板的下沉量控制较好，此时相应的顶板最大下沉量为170 mm.通过数值模拟分析巷旁充填体宽度选取1.2 m较合适。

2.2 巷旁充填密闭墙断面设计

综合鹿台山矿留巷巷道断面需求、充填体稳定性以及巷道作业空间等因素，最终确定2206巷道留巷宽度为4 200 mm, 高度为2 800 mm, 巷旁支护宽度为1 200 mm, 如图8所示，柔模墙沿2206巷道内帮边缘布置，其中巷道内800 mm、巷道外400 mm.

图8 2206巷道留巷断面及柔模墙布置位置图(单位：mm)

2.3 巷旁充填密闭墙体支护材料及参数

主要材料为：煤矿沿空留巷用柔模袋、铝基高固水充填材料、对拉锚杆、钢筋梯子梁。

柔模袋结构如图9所示，灌注口灌浆，充满后利用接顶模板与顶板接触密实，主体模板利用对拉锚杆加固稳定，该结构操作难度小，方便快捷。

柔模墙尺寸为长×宽×高=3 600 mm×1 200 mm×2 800 mm, 由于充填袋要确保充分接顶，高度应适当高出墙高，尺寸长×宽×高=4 050 mm×1 300 mm×3 300 mm.

图9 煤矿沿空留巷用柔模袋

3、铝基高固水巷旁充填密闭墙施工工艺

铝基高固水材料巷旁充填沿空留巷施工工艺为：

1) 充填区域顶板支护。

工作面割煤—端头架前方巷道边缘向采空区6 m范围内，铺顶网—工作面支架移架—移架后打单体临时支护—构筑充填墙体。

2) 构筑柔模墙。

根据推进长度，每天构筑1垛柔模墙：柔模墙定位—撤柔模墙范围内的单体—清理底板浮煤、顶板伞岩和坠包—立模(挂钢筋网、单体液压支柱、吊充填袋、穿对拉锚杆)—配料注浆—清洗管路和注浆设备—撤柔模墙靠近采空区侧的单体液压支柱、铰接顶梁。

3) 清理现场，准备下一循环。

为避免双液浆料在搅拌过程中凝固，采用双趟高压管路输送浆液直达柔模袋中使其快速凝固，并监测充填情况。工艺流程如图10所示。

图10 工作面巷旁充填工艺流程图

4、现场应用情况

4.1 巷道表面位移监测

根据2206巷道在沿空留巷过程中巷道围岩变形观测记录。结果如图11所示。

1) 工作面前方巷道表面位移。

从图中可以看出，在工作面前方50 m位置巷道开始产生变形，在工作面向前推进的过程中，围岩变形速度缓慢增大，然而巷道整体变形不大，在工作面前方20～50 m范围内顶板最大下沉速度为2 mm/d, 底板最大鼓起速度为2.2 mm/d, 两帮最大移近速度为4.1 mm/d, 此时顶、底板及两帮的变形量分别是16 mm、19 mm和28 mm; 工作面前方20 m范围内，受工作面超前支承压力影响巷道变形显著，顶板最大下沉速度为3 mm/d, 底板最大鼓起速度为3.9 mm/d, 两帮最大移近速度为7.4 mm/d, 在工作面前方顶、底板及两帮的累计变形量分别达到38 mm、42 mm和79 mm, 表明工作面前方巷道围岩变形在可控范围内，巷道仍保持稳定状态，为进行沿空留巷奠定了基础。

图11 巷道表面位移监测曲线

2) 工作面后方巷道表面位移。

由图可知，伴随工作面的回采推进，后方沿空巷道围岩的整体变形规律表现为先增大后稳定，变形速度先增大之后逐渐减小。可将后方留巷段分为剧烈采动影响区、平缓区以及稳定区。剧烈采动影响区为工作面后方0～60 m范围内，在20 m处达到顶峰，此时顶板下沉速度5.5 mm/d, 底鼓变形速度8.9 mm/d, 两帮最大移近速度12.5 mm/d, 表明2206工作面周期来压步距为15～20 m; 工作面后方60～120 m范围为平缓区，此时采空区顶板垮落已经相对稳定；工作面后方120 m之外属稳定区，围岩变形速度趋于零，达到稳定状态。

当沿空巷道稳定后，顶、底板以及两帮的累计变形量分别为125 mm、178 mm和276 mm, 巷道断面收敛率17%.表明巷道在该条件下较稳定，留巷阶段巷道变形控制良好，能满足下个工作面作为回风巷的使用要求。现场留巷实拍图如图12所示。

图12 留巷效果实拍图

4.2 对拉锚杆载荷观测

沿空留巷巷旁充填体采用对拉锚杆进行加固，通过对拉锚杆载荷变化，可以判断其加固作用效果和充填体的受力情况，由图13可知，工作面后方60 m范围内，顶板岩层发生大规模运动，沿空巷道受到后支承压力作用，对拉锚杆载荷显著增大，由矿压观测数据可知，对拉锚杆最大载荷达到了100.7 kN(小于对拉锚杆的拉断载荷),表明对拉锚杆仍能继续发挥对巷旁充填体的加固作用，充填体在对拉锚杆的作用下处于稳定状态。随着工作面向前推进，对拉锚杆载荷保持不变。

图13 对拉锚杆载荷变化曲线

5、结语

1) 研究了铝基高固水充填材料特征，其抗压强度可达到30～50MPa以上，在水灰质量比1.5∶1条件下载荷达到峰值强度10.5 MPa后，仍具有一定的承载能力，并在应变9%～18%范围内可保留60%以上的抗压强度，而普通水泥混凝土在达到破坏载荷后抗压强度则会骤降。铝基高固水充填材料更加符合沿空留巷的技术需求。

2) 通过数值模拟研究确定了巷旁充填合理宽度为1.2m, 同时确定了断面尺寸、支护及充填相关材料和参数，提出了合理的铝基高固水巷旁充填密闭墙施工工艺。

3) 经过现场留巷验证，工作面后方0～60m范围内为剧烈采动影响区，60～120 m范围为平缓区， 120 m之外达到稳定状态。沿空巷道稳定后，顶、底板以及两帮的累计变形量分别为125 mm、178 mm和276 mm, 巷道断面收敛率17%.留巷阶段巷道变形控制良好，能满足下个工作面作为回风巷的使用要求。

参考文献:

[1]林海飞,刘思博,双海清,等.沿空留巷开采覆岩裂隙演化规律及卸压瓦斯抽采技术[J].采矿与岩层控制工程学报,2024(1):1-13.

[2]申海利,宋慧杰.沿空留巷支护技术及矿压监测研究 [J].煤,2024,33(1):79-82.

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[4]许鑫涛.厚硬顶板沿空留巷切顶参数优化及围岩控制方法研究[J].煤,2023,32(12):72-76,83.

[5]闫晋峰,陈宪伟,王慧武,等.沿空留巷巷道加固技术研究[J].煤,2023,32(10):39-42.

[6]段计伟.综放工作面沿空留巷巷旁充填工艺与矿压监测研究[J].煤炭工程,2023,55(4):65-70.

文章来源:张进波.铝基高固水巷旁充填沿空留巷技术研究与应用[J].煤,2024,33(11):29-33+48.