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薄煤层采煤工作面充填留巷研究

2024-08-10 57 上传者：管理员

摘要：以薄煤层开采工作面7303S采煤工作面为研究对象，为提高巷道掘进效率并减少矸石产生量，提出在采面轨道巷应用充填留巷技术。将井下生产的矸石进行破碎并与水泥、沙子、添加剂等按照一定比例混合后制备充填材料；综合理论计算及数值模拟技术方法确定工作面轨道巷留巷段充填墙体宽度为1.2 m;依据采面现场条件，设计留巷段巷道增强支护方案、充填墙体成型技术以及充填墙体支护技术。工程应用表明，7303S轨道巷留巷段围岩变形量整体较小，充填墙体始终保持稳定，留巷段围岩控制效果较好。

关键词：
充填墙体
回采空间狭小
沿空留巷
煤矸石
薄煤层
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薄煤层采煤工作面存在回采空间狭小、工作环境更为恶劣问题，同时当开采煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大时，受钻孔施工难度大、煤层较薄影响，瓦斯治理难度更大[1-2]。为满足薄煤层采煤工作面设备运输、行人、通风以及煤炭运输等需要，采煤工作面回采巷道一般布置成半煤岩巷道，巷道掘进期间会产生大量的矸石；同时为满足采面设备、人员及采煤机割煤要求，部分工作面会截割顶板，从而导致生产原煤中矸石含量较高。煤炭开采产生的大量煤矸石，若直接堆砌在地面，会占用大量空间并污染矿区环境[3-6]。为此，文中以山西某矿7303S采煤工作面为研究对象，提出将充填留巷技术应用到采面轨道巷围岩控制中，并将煤矸石作为充填墙体主要充填材料，以期减少井下矸石产生量并缓解矿井采掘接替紧张局面。

1、工程概况

山西某矿7303S采煤工作面开采7号煤层，回采范围内煤层倾角2°～9°、均值5°,煤层厚度0.67～1.45 m、均值1.1 m,属于薄煤层，煤层顶底板岩性以粉砂岩、泥岩以及砂质泥岩为主。7303S采煤工作面设计走向、倾向长度分别为469 m、93 m,煤层埋深均值为435.7 m.7303S采煤工作面回采区域内瓦斯含量较高(原始瓦斯含量7.2～11.3 m3/t、瓦斯压力0.72～1.13 MPa),水文地质条件简单，地质构造不发育，顶底板岩性富水性较弱。

受瓦斯治理工程量大、半煤岩掘进条件等因素制约，采煤工作面回采巷道掘进效率普遍偏低，矿井采掘接替紧张。为提高煤炭开采效率、降低巷道掘进工程量等，提出将充填留巷技术应用在7303S采煤工作面轨道巷中。

2、充填材料及充填墙体宽度确定

2.1充填材料

7号煤层为薄煤层，巷道掘进及煤炭回采期间产生了大量的矸石。为减少地面矸石量，结合现场留巷需要，提出以井下矸石作为主要充填材料，并通过添加粉煤灰、水泥以及外加剂等提高充填材料强度，满足留巷需要。通过试验及以往充填留巷经验[7]确定7303S采煤工作面沿空留巷最佳配比，具体充填材料配比为m(矸石)∶m(砂子)∶m(水泥)∶m(水)∶m(外加剂)=51.5∶23∶16∶8.6∶0.9.各龄期抗压强度测定结果见表1.

表1充填材料配比及抗压强度

时间3 h1 d3 d7 d28 d

抗压强度/MPa0.553.85.77.88.9

2.2充填体宽度

2.2.1理论计算宽度

7303S采煤工作面轨道巷充填墙体的主要作用是给顶板一定的支护作用力，避免在矿压影响下顶板出现下沉量大的问题，同时防止采空区矸石入侵到留巷空间。依据7303S采煤工作面轨道巷现场条件，确定留巷前期、后期顶板需要的支护作用力分别为2.25×103kN/m、7.25×103kN/m.采用的充填材料在胶结后的3 d、7 d、28 d后抗压强度可达到5.7 MPa、7.8 MPa、8.9 MPa,则充填墙体宽度至少应为0.815 m(7.25×103(kN/m)/8.9(MPa)=0.815(m))。因此，在7303S采煤工作面轨道巷充填墙体宽度应至少在0.815 m以上。

2.2.2模拟分析

基于7303S采煤工作面轨道巷现场地质条件，采用FLAC3D构建数值模拟模型，确定最佳充填体宽度，具体构建的模型如图1所示，模型长×宽×高=200 m×20 m×80 m.模型前、后、左、右及底板均为固定边界，顶部为自由边界且施加10.2 MPa载荷。模拟时，巷旁充填墙体宽度分别为0.8 m、1.0 m、1.2 m及1.4 m,模拟中顶底板岩性参数见表2.

图1模拟模型

表2 7号煤层顶底板岩性参数

1)围岩应力分布。

随着巷旁充填墙体宽度的不断增加，轨道巷实体煤侧应力峰值、应力集中程度均呈降低趋势，具体如图2所示。应力峰值由31.6 MPa降至26.5 MPa,降幅为16.1%;应力集中系数由2.92降至2.55.由此可知，随着巷旁充填墙体宽度的不断增大，轨道巷围岩中应力峰值及应力集中程度越小、越有利于确保围岩稳定，但是若一味增加充填墙体宽度会挤占留巷空间，影响巷道后续通风、运输等需要。因此，为更好地确定留巷充填体宽度，后续对不同宽度下巷道顶板下沉情况进行分析。

图2应力峰值及应力集中系数变化情况

2)巷道顶板下沉。

不同充填体宽度下留巷段顶板下沉量模拟结果如图3所示。当充填墙体宽度为0.8 m时，留巷段顶板下沉量最大值及均值分别为367 mm、307 mm,顶板下沉量整体较大；而当充填体宽度增至1.0 m时，留巷段顶板下沉量最大值及均值有所降低，分别为346 mm、281 mm,顶板下沉量仍较大，导致巷道断面收敛明显；充填墙体宽度增至1.2 m时，留巷段顶板下沉量最大值及均值降幅明显，分别为265 mm、217 mm;充填墙体宽度增至1.2 m时，留巷段顶板下沉量最大值及均值降幅明显，分别为255 mm、212 mm,顶板下沉量与宽1.2 m充填墙体时变化不大。

图3留巷段顶板下沉量模拟结果

当充填墙体宽度由0.8 m增至1.2 m时，留巷段顶板下沉量最大值及均值降幅分别达到27.8%、29.3%;而当充填墙体宽度由1.2 m增至1.4 m时，留巷段顶板下沉量最大值及均值降幅仅为3.8%、2.3%.随着充填墙体宽度增大，顶板下沉量呈降低趋势，但是墙体宽度1.2 m、1.4 m时顶板下沉量变化不明显。

为此，结合围岩应力分布情况及顶板下沉量分析结果，确定充填墙体合理宽度为1.2 m.

3、工程应用试验

3.1留巷段增强支护

3.1.1锚杆索增强支护

7303S采煤工作面轨道巷留巷段增强支护设计如图4所示。

图4留巷段增强支护示意(单位：mm)

具体支护参数为：①顶板增强支护：顶板增加2根规格Φ17.8 mm×6 200 mm的钢绞线锚索，间排距为1 600 mm×1 200 mm;锚索端头用1支CK2340+2支Z2355树脂锚固剂锚固；配套规格300 mm×300 mm×16 mm的钢托盘；施加的预紧力控制在195 kN以上。②巷帮增强支护：在左帮底板上覆200 mm布置1排规格Φ20 mm×2 200 mm的螺纹钢锚杆，间距为1 000 mm;在右帮采用规格Φ20 mm×2 200 mm的螺纹钢锚杆+W钢带补强，1排布置3根锚杆，3根锚杆用1根W钢带连接，锚杆间排距为1 100 mm×1 000 mm.

3.1.2架棚支护

依据7303S采煤工作面轨道巷现场情况，采用单体+工字钢进行加强支护，在工作面前方30 m及后方110～130 m范围布置由单体、工字钢组成的倾向架棚进行增强支护；架棚采用一梁四柱布置方式，每排布置4个单体，间排距为800 mm×1 000 mm;在充填体靠近采空区侧使用挡矸支架强化支护。具体架棚布置如图5所示。

3.2充填墙体施工

矿井生产的原煤在地面使用分选系统进行分选，得到的矸石经带式输送机、充填管路以及充填支架等设备相互配合，实现留巷段充填。充填墙体施工涉及到矸石分选、破碎、物料制备(添加、混合、搅拌等)及远距离泵送等工艺。破碎的矸石、添加的沙子、水泥以及添加剂等均布置在采区大巷内，同时在巷道内布置充填泵送系统，将制备好的充填材料通过MAB40-13-90混凝土充填泵(最大泵送距离500 m、泵送流量40 m3/h、泵送压力13 MPa)泵送至留巷段内，实现墙体充填砌筑。在轨道巷内使用ZYTM3×2800/8/17型充填模板支架(初承力7 848 kN、支承高度800～1 700 mm、支承宽度1 430～1 600 mm)替代原有的过渡支架，充填模板支架可为墙体砌筑提供模板并对混凝土进行振捣。在采煤机割煤期间同步进行充填墙体充填，采煤机割3刀煤后充填墙体具有一定的强度，此时模板支架前移3刀煤距离(2 400 mm),后方通过挡矸支架、单体进行补强支护。

图5架棚补强支护示意(单位：mm)

为提高充填墙体强度，在充填墙体内布置对拉锚杆并使用钢筋梯子梁进行强化支护，采用的对拉锚杆间排距为900 mm×900 mm,钢筋梯子梁采用Φ14 mm圆钢加工制作，钢筋网用Φ6.5 mm钢筋制作。

3.3留巷效果分析

在7303S采煤工作面轨道巷留巷段布置测站对顶底板、巷帮变形情况进行跟踪监测，具体结果如图6所示。

图6留巷段围岩变形监测结果

从监测结果看出，轨道巷留巷段顶底板、巷帮变形量整体较小，巷道围岩变形在留巷完成47 d后基本趋于稳定；顶板、底板最大变形量分别为231 mm、49 mm,左帮(充填墙体)、右帮(实体煤帮)最大变形量分别为41 mm、157 mm,留巷段充填墙体保持稳定，未出现墙体开裂、大变形问题，巷道围岩变形量在允许范围内，表明现场使用的留巷工艺可满足轨道巷围岩控制需要。

4、结语

结合7303S采煤工作面现场实际情况，确定轨道巷充填留巷技术方案并进行工程应用，具体取得如下主要成果：

1) 7303S采煤工作面轨道巷留巷充填墙体采用矸石作为主要充填材料，并通过添加粉煤灰、水泥以及外加剂等提高充填材料强度，满足留巷需要。理论分析确定充填墙体宽度在0.815 m以上。通过对数值模拟得到的应力分布、留巷段顶板下沉量等进行分析，确定合理的充填墙体宽度为1.2 m.工程应用时将充填墙体宽度设计为1.2 m.

2)采用锚索对留巷段顶板进行补强，锚杆+钢带对巷帮进行补强；采用单体+工字钢组成架棚对工作面前方30 m及工作面后方110～130 m范围进行补强，确保动压影响下留巷段围岩、充填墙体保持稳定；采用充填模板支架提高充填墙体施工效果，同时通过对拉锚杆、筋梯子梁提升充填墙体强度及稳定性。

3)工程应用后，7303S采煤工作面轨道巷留巷段充填墙体始终保持稳定，未出现墙体失稳、开裂及大变形情况，留巷段顶板、底板最大变形量分别为231 mm、49 mm,左帮(充填墙体)、右帮(实体煤帮)最大变形量分别为41 mm、157 mm,围岩变形在允许范围内。

参考文献:

[1]张枝伟,尚宇琦,王晓东.薄煤层半煤岩巷道变形破坏规律研究[J].中国矿山工程,2023,52(3):40-51.

[2]杨秀庭.沿空留巷技术在忻峪煤业薄煤层工作面的应用[J].江西煤炭科技,2023(2):13-16.

[3]王路飞.综采工作面智能充填留巷研究[J].煤,2023,32(5):77-79.

[4]刘泽威,刘洋.薄煤层高瓦斯工作面沿空留巷研究及效益分析[J].煤炭技术,2023,42(4):78-82.

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[7]李星达.赵庄煤矿软弱顶板沿空留巷围岩控制技术研究[D].徐州:中国矿业大学,2022.

文章来源:王云云.薄煤层采煤工作面充填留巷研究[J].煤,2024,33(08):105-108.