綜放開采運輸巷矸石膏體充填無煤柱開采技術研究

孫欽亮 張躍華

（山東恒馳礦業裝備科技有限公司，山東 泰安 271202）

常規開采中相鄰工作面之間通常會遺留大量的煤體，因此造成較大的煤炭資源損失，尤其是在開采厚煤層時。在綜放工作面的生產中，遺留煤柱的損失約占10%[1]。除此之外，遺留的煤柱會受到較大壓力，導致相鄰工作面巷道事故增加，增加維修工作量，也不利于預防煤炭自然發火、瓦斯突出及其他災害的發生[2]。

因此，許多學者提出無煤柱開采，無煤柱開采是通過合理的開拓部署、采煤工作面和巷道布置及采掘順序，取消護巷煤柱的采煤方法。其主要的優點是消除因煤柱引起的應力集中，使巷道處于應力減低區，減少巷道事故發生，降低維修工作量；降低巷道出現的突出與沖擊災害；降低煤炭損失量，提高煤炭資源的回收利用率[3-5]。以現有的生產力，沿空留巷與沿空掘巷是主流的兩種無煤柱開采手段。沿空留巷所布置的巷道需要經受兩次采動的干擾，在厚煤層綜放開采的工作面中留巷困難且護巷成本較高。而沿空掘巷布置的巷道只受單次采動的影響，護巷難度較沿空留巷容易，但是常規的布置仍需要留設5～7 m 的窄煤柱來護巷，在厚煤層開采時煤炭資源損失較大[6-8]。

山東菏澤單縣豐源實業有限公司張集煤礦目前主采3 煤層，首采區西翼3 煤平均厚度為6.10 m，同時每年產生煤矸石180 萬t，矸石堆放占用大量土地，對礦區的生態環境保護工作帶來巨大壓力，嚴重影響了煤礦的可持續發展。1309 工作面井下位于一采區西翼，1309 工作面走向長度1230 m，傾向長度242 m，綜放開采。本文以該礦井1309 工作面的開采技術條件為背景，提出綜放開采運輸巷矸石膏體充填無煤柱開采技術，并通過數值模擬，分析綜放巷內無煤柱掘巷過程中圍巖結構的變形特征，掘巷和下區段工作面回采時對充填體穩定性的影響，并根據模擬結果在現場進行了工業性試驗。

1 巷內矸石膏體充填無煤柱開采技術原理

綜放巷內矸石膏體充填無煤柱開采方法需要根據工作面每天的推進度，確定巷道每次的充填長度，即循環充填步距。預先在巷道壁側布置網格布，構筑充填空間。在將要實施充填部分的巷道前面布置隔離布起到擋漿作用，將制備的矸石膏體料漿通過管路泵送到巷道內進行充填。最后伴隨著工作面開采完成，巷道也隨之全部充填完成。待采動影響穩定，再沿著充填體一側開挖相鄰工作面開采所需的巷道。在下個工作面回采的過程中，充填體將替代護巷煤柱支撐頂板，最終實現工作面的不留煤柱開采。

該技術不僅能夠使覆巖壓力穩定分布，實現工作面整體圍巖結構的主動支撐，而且也能有效節約支護資源，實現工作面的經濟高效開采。綜放巷內矸石膏體充填無煤柱開采，待上一工作面覆巖運動基本結束，充填體也達到穩定狀態后，可沿充填體一側開挖下一工作面回風巷道，減少了上、下兩個區段的接續時間，有效緩解了當前工作面接續壓力過大的被動局面。同時，對下區段回風巷進行開挖時，可以貼近充填體掘巷，便于定位。由于新掘巷道的一側為充填體，可節約巷道的支護材料，降低巷道支護成本。其次，充填體具有較高的強度和支撐力，具有較好的密閉性，不會發生漏風，使得采空區中的瓦斯和其他毒害氣體不容易外泄。再者，綜放開采運輸巷充填無煤柱開采使用充填體代替保護煤柱，可實現無煤柱開采，提高資源回收率，同時可防止采空區內煤柱自然發火和潛在的沖擊礦壓隱患，消除煤柱應力集中現象，減少突出與沖擊事故。利用巷內充填體代替護巷煤柱，充填體的參數可以人為設計，與煤柱相比具有密度小、寬度窄的特點，并且充填材料為矸石等廢棄物，可以緩解矸石堆放占用大量用地的問題，促進煤礦綠色可持續發展。

綜放開采運輸巷矸石膏體充填無煤柱開采技術的具體步驟如圖1 所示：

圖1 綜放開采運輸巷矸石膏體充填無煤柱開采步驟圖

（a）開掘上工作面運輸平巷，并留出足夠的寬度為下一步充填做準備。

（b）在巷道靠近下區段工作面煤壁側構筑充填體墻。充填的高度要與巷道高度一致，強度和寬度滿足下工作面回采需要。

（c）上工作面回采過程中，基本頂發生回轉、下沉現象。

（d）上工作面回采結束，沿著充填體開挖下工作面回風平巷。此時已經基本完成覆巖運動，向靜態受力平衡狀態過渡。

2 綜放開采運輸巷矸石膏體充填圍巖變形特征數值模擬研究

巷內圍巖結構的力學響應穩定性是調整回采技術的關鍵因素。為了研究無煤柱開采對巷道圍巖結構穩定性的影響特征，對回采過程中巷內圍巖的應力演化過程進行分析。通過構建充填體與圍巖的整體結構模型，模擬計算采動過程中覆巖結構的應力和穩定性。

2.1 模型建立

根據張集煤礦1309 工作面綜合地層柱狀圖建立三維數值仿真模型，尺寸為200 m×160 m×70 m。模型中采用了漸變網格劃分，由于模型生成過程中區域網格大小的確定對模擬結果有重大影響，在設計時遵循網格大小盡可能滿足差異越小越準確的原則，在沿充填體掘巷巷道圍巖附近進行了加密式網格劃分。如圖2 所示，通過向模型頂部施加應力邊界條件來模擬上覆巖重，模擬埋深600 m。模型沿走向及傾向方向施加水平應力，側壓系數0.5。模型外圍設置足夠的保護煤柱以減少邊界效應對模擬結果的影響。各煤巖層力學參數見表1。

圖2 數值模型邊界條件示意圖（m）

根據現場情況，模擬巷道尺寸為4.6 m×2.9 m，隨著回采的不斷進行，開挖一次后即對巷道進行充填，充填體寬度為2 m。依次對上下工作面回采過程中的圍巖結構響應特征進行分析研究。

2.2 上工作面回采過程中圍巖應力分布特征

上工作面回采過程中圍巖應力分布規律如圖3所示。

圖3 上工作面回采過程中圍巖應力分布規律

由圖3（a）可以看出，“上工作面回采”結束后，沿縱深方向，充填體墻及實體煤層出現一定的應力集中現象。但應力在巷內的覆巖和底板中分布較為均勻，整體結構的受力情況較為穩定。其中，垂直應力最大值為30.5 MPa，集中系數為3.27；實體煤層在距充填體2.8 m 的位置出現了最大的垂直應力，最大值為22.3 MPa，應力集中系數2.18。圖3（b）可以看出，在“上工作面回采”結束后，水平應力主要由頂板和底板共同承擔。充填體與頂板之間的離層區發生了水平應力集中，頂板上的水平應力最大值為3.9 MPa。充填體和圍巖所受水平力并沒有過大的差別，兩者之間不會出現明顯的集中應力。圖3（c）可以看出，“上工作面回采”結束時，剪應力在整個工作面中基本無明顯差異，由回采所引起的剪應力重分布并不會對圍巖的穩定性造成影響。充填體下方3 m 處剪切應力達到最大值，為5.2 MPa；上方剪切應力的最大值出現在4.2 m 位置處，最大值為5.9 MPa。充填體上方和底部均出現明顯的剪應力集中現象。

基于上述對上工作面回采應力的模擬分析，上工作面回采過程中充填體所受的垂直應力較大，充填體墻的穩定性主要取決于垂直方向集中應力的大小。而開采過程中充填體在水平方向的應力集中現象較弱，上覆巖層與充填體的應力響應趨于一致。水平應力在上下巖層中均有一定分散，水平應力主要集中分布在充填體前的圍巖中。充填體在上工作面回采過程中的剪切效應較弱，剪切應力在圍巖和充填體中能夠均勻分布，兩者在回采過程中能夠很好地相互協調、共同承力。因此，上工作面開采過程中充填體的穩定性主要與垂直方向的抗壓能力相關。

2.3 下工作面回采過程中圍巖應力分布特征

二次回采過程中圍巖應力分布規律如圖4 所示。

圖4 二次回采過程中圍巖應力分布規律

由圖4 可知，圍巖的應力分布規律在“下工作面回采”期間，主要受到支承壓力的疊加影響，充填體與圍巖的應力狀態存在一定差異。圖4（a）是工作面超前0 m 處圍巖應力的分布規律?？梢?，垂直應力作用于充填體之上遠高于實體煤上，充填體處應力最大值達到35.4 MPa，集中系數為3.55；而實體煤產生應力僅為17.3 MPa，集中系數為1.68。并且充填體附近區域的圍巖出現應力集中現象，充填體與圍巖的應力特征差異較大。底板與覆巖的應力分布基本為相互對應的狀態。圖4（b）是工作面超前10 m 時圍巖應力的分布規律，在充填體和實體煤中均出現顯著的應力集中現象，并且在充填體附近的應力集中現象加劇。作用于充填體上方的垂直應力峰值達到34.2 MPa，集中系數為3.35；而在沿充填體掘巷距實體煤巷幫煤壁3.5 m 位置，實體煤所受垂直應力達到峰值為29.5 MPa，集中系數為2.97。隨著超前距離的不斷增加，作用于充填體及實體煤上方的支承壓力峰值不斷減少。當超前距離達到20 m 時，充填體附近區域的集中應力發生弱化，圍巖的應力狀態逐漸趨于穩定。在超前30 m處，充填體產生的垂直應力到達最大為30.2 MPa，集中系數為3.02；而實體煤上產生垂直應力的峰值為25.3 MPa，集中系數為2.56。并且充填體附近區域的應力狀態基本未發生改變，說明采動所引起的應力傳遞存在一定的界限距離。巷內圍巖越靠近左端，應力梯度的變化越強烈，最終，在充填體附近形成明顯的異化響應區。該區結構會在短期內發生迅速的能量聚集并受到周圍巖體的約束，其會在采動擾動的作用下發生一定的能量釋放和失穩。隨著采動距離的不斷延伸，該區巖體受動力擾動的影響，會促使內部能量不斷向上部覆巖發生釋放。但隨著擾動作用的越來越弱，該區圍巖結構的應力分布趨于穩定，整體圍巖的應力梯度逐漸變小，充填體的應力也由剛開始的激增逐漸減弱至穩定。

通過對研究結果分析發現：在“下工作面回采”時，支承壓力是影響圍巖應力分布規律的主要因素。其中，充填體上方的應力峰值隨與停采線的距離增大而減小，在超前0 m 處實體煤上方的應力峰值降到最低。在10 m 到30 m 工作面的超前距離上，實體煤幫上方的應力峰值也相應縮小。該階段應力擾動對周圍結構的影響集中發生在前10 m，此過程整體結構的應力梯度發生了顯著變化。

3 綜放開采運輸巷充填無煤柱開采技術工程試驗

基于上述模擬結果，完善工作面的無煤柱開采技術，對采動過程中的不穩定點進行支撐。在“不對稱協作支護”理論和技術基礎上，針對綜放工作面沿空巷道圍巖的變形和損傷特點，對巷內永久支護、工作面端部區域、工作面超前動壓作用及采動滯后部位等多個容易受到應力干擾的部位進行相應的支護加固，對原有的支護方案進行優化研究，保障地下煤炭資源的安全高效生產。

巷道形狀為矩形斷面，斷面尺寸為4600 mm×2900 mm，原巷道支護方案設計如下：

1）巷道頂板支護參數。使用長度為2400 mm、直徑22 mm 的高強讓壓錨桿，間排距800 mm×900 mm，兩側錨桿距巷幫300 mm，并傾斜20°安裝，每根錨桿使用2 支樹脂錨固劑錨固。錨索采用長度為6300 mm、直徑22 mm 的高強高預應力錨索，錨索布置方式為“3-0-3-0”布置，間排距為1600 mm×1800 mm，中間錨索位于巷道中心點，每根錨索使用3 支樹脂錨固劑錨固。為避免頂煤破碎，采用組合鐵絲網護頂，全斷面雙層網片支護第一層采用雙抗網，第二層網片采用直徑6 mm 鋼筋焊接而成的方格網，網格尺寸為100 mm×100 mm，規格1100 mm×2000 mm，網間搭接100 mm，每隔200 mm 用雙股14#鐵絲綁扎，不得出現漏聯現象。

2）巷道幫部支護參數。錨桿的類型、規格、錨固方式以及長度、預緊扭矩等均與頂板相同，間排距均為800 mm，頂角錨桿距離頂板200 mm，底角錨桿距離底板300 mm，錨桿間通過雙鋼筋托梁橫向聯結，錨桿托盤及相應配套構件與頂板一致。

為了優化原有巷道的支撐結構，構建巷道頂底板與圍巖的一體化支撐體系，采用長錨索對原有的結構支撐方案進行優化。將原本的“3-0-3-0”布置改為“3-3-3-3”錨索布置，補強錨索規格為Φ22 mm×7300 mm，預緊力不低于300 kN，間排距為1800 mm×1800 mm，補強錨索距實體煤幫與充填體的最近距離分別為300 mm 和600 mm，錨索采用鋼筋托梁縱向聯接。為了防止層間錯動帶來的剪切破壞，頂板兩側補強錨索傾斜20°安裝，中間一根垂直安裝。錨索托盤采用300 mm×300 mm（長×寬），厚度為16 mm、拱高為60 mm、承載能力不小于550 kN 的帶調節球墊的拱形托盤，如圖5。

圖5 永久支護加固方案示意圖（mm）

經現場支護構件受力監測分析發現，沿充填體掘巷附近，支護構件的受力主體為承載大部分上覆巖層重量的實體煤幫，巷道內整體圍巖結構的支承效果良好。實體煤幫側的錨桿在掘進過程中的最大受力為186 kN，錨索的最大受力為253 kN。雖然支護構件在回采時受力已近極限，但支護結構仍能較好地完成吸能作用，并且其強度尚在可滿足生產要求的承受范圍之內。

4 結論

為解決綜放工作面開采過程中遺留煤柱過多造成經濟損失較大的難題，該文以張集煤礦1309工作面為背景，分析了綜放開采運輸巷矸石膏體充填無煤柱開采技術，結合數值模擬的方法分析了兩次回采過程中圍巖的應力分布規律，并根據數值模擬結果對原有巷道支護進行了優化，主要得到以下結論：

1）綜放開采運輸巷矸石膏體充填無煤柱開采技術是在上一工作面運輸巷內，沿工作面煤壁側構筑充填體，待采動影響穩定時，再沿著充填體開挖下一工作面軌道巷。在下一工作面回采時，充填體作為護巷煤柱支撐頂板，最終實現工作面的無煤柱開采。

2）由于上工作面開采擾動，頂板支承壓力峰值會轉向實體煤深部，導致了作用于實體煤下頂板的應力峰值稍大于充填體下的頂板的現象。同時隨頂板深度增加而對頂板產生支承壓力衰減幅度不一，且實體煤下頂板峰值隨深度增加繼續向實體煤深部轉移。

3）下一工作面回采期間，超前0 m 時實體煤下底板出現最大峰值35.4 MPa；充填體及實體煤下頂底板峰值會隨著超前距離增加不斷減少。同時，在超前10～20 m 范圍，實體煤下所受應力最大值將超過充填體處，而在20 m 范圍外，實體煤下所受應力最大值會低于充填體處。