高瓦斯矿井沿空留巷巷旁“组合”充填墙体技术研究

发布时间：2021-06-19

　　摘要：高瓦斯矿井中沿空留巷，由于巷旁充填体接顶不严，易出现巷道新鲜风流进入采空区引起煤层自燃和采空区瓦斯泄露等安全事故。基于此问题，提出构筑巷旁柔模“组合”充填墙沿空留巷技术，“组合”充填墙上层采用高水材料构筑作为接顶层，下层采用混凝土构筑作为支撑层。以漳村煤矿2603工作面为工程背景，通过建立沿空留巷力学模型计算巷旁充填体切顶阻力，对“组合墙”不同强度、宽度和分层高度条件下围岩及充填体的稳定性进行数值模拟分析，从而确定最优的“组合”充填墙参数。现场监测结果表明：巷旁“组合”充填墙有效地控制了留巷瓦斯浓度和围岩稳定性。

　　关键词：沿空留巷;组合墙体;接顶层;支撑层

　　1工程地质条件

　　本文以潞安集团漳村煤矿2603工作面为工程技术背景，建立沿空留巷力学模型，计算巷旁充填体支护阻力。对不同参数的“组合”充填墙进行数值模拟，研究其对围岩稳定性的影响。揭示“组合”充填墙围岩控制规律，提出适应高瓦斯矿井的巷旁充填技术。

　　1.1煤层赋存条件及岩性特征

　　漳村煤矿2603工作面位于3#煤层，煤层平均厚度为6.53m，平均倾角4°，煤层结构较简单。直接顶平均厚度为3.65m;基本顶平均厚度为12.4m;直接底平均厚度为5.7m;老底平均厚度为1.85m。根据瓦斯地质图及实测瓦斯含量，测出全瓦斯含量为8.2~11.2m3/t。运巷煤岩力学参数如表1所示，顶底板岩性柱状图如图1所示。

　　1.2巷道布置

　　3#煤层为漳村矿的最后主采煤层，在掘进过程中，随着开采深度不断增加，3#煤层瓦斯含量呈增加趋势。为缓解采掘接替紧张、解决工作面瓦斯浓度超限等问题，在2603工作面采用“组合”充填墙体的方式对运巷进行留巷。2603工作面巷道布置如图2所示。

　　2“组合”墙体支护阻力计算

　　基于巷旁充填体和巷道围岩的相互作用机理，巷旁“组合”充填体主要由高水材料柔性“接顶层”和混凝土刚性“支撑层”组成，在巷旁充填体与巷道围岩相互作用时，主要表现以下行为：(1)“组合”充填体利用自身“接顶层”具备的可压缩特性与顶板的破断下沉特征相吻合，达到及时支撑顶板和高效密闭采空区的目的。(2)“组合”充填体利用自身“支撑层”的高强度特性抵御工作面采动动压的影响，并与巷内主动支护技术共同作用，维护留巷空间的稳定。根据Winkler弹性基础假设和极限平衡理论建立沿空留巷简化力学模型，如图3所示。

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　　对上述模型作如下简化：(1)因采空区上方直接顶与基本顶之间的离层，以及基本顶之上软弱岩层与更上位岩层之间的离层，认为其间的剪力为0;(2)基本顶的自重沿平行岩层和垂直岩层方向分解成2组力;(3)基本顶之上的软弱岩层，均匀地加到基本顶上;(4)基本顶以煤体弹塑性交界处为旋转轴向采空区侧旋转倾斜。

　　3“组合”墙体不同参数条件下巷道围岩稳定性数值模拟

　　3.1“组合”墙体不同强度对围岩稳定性的影响

　　分别对巷旁“组合”充填体支撑层为20、30、40、50MPa不同强度下围岩稳定性进行数值模拟，分析其巷道围岩位移变化情况。“组合”墙体支撑层不同强度条件下巷道围岩位移如图4所示。

　　3.2“组合”墙体对围岩稳定性的影响

　　分别对巷旁“组合”充填体为1.2、1.5、1.8、2.1m不同宽度下围岩稳定性进行数值模拟，分析其巷道围岩位移变化情况。“组合”墙体不同宽度下巷道围岩位移如图5所示。

　　3.3“组合”墙体不同分层高度对围岩稳定性的影响

　　分别对“组合”充填体的接顶层为300、400、500、600mm不同高度条件下的下围岩稳定性进行数值模拟，分析其巷道围岩及巷旁充填体位移变化情况。“组合”墙体接顶层不同高度条件下巷道围岩位移变化如图6所示。

　　3.4数值模拟结果分析

　　由图4可以看出：“组合”墙支撑层强度为40MPa后，顶底板位移量减小趋势明显放缓，此时顶底板移近量为250mm，两帮移近量为28mm，充填体横向变形量为1mm;由图5可以看出，墙体宽度为1.5m时，顶底板移近量增速明显减缓并趋于水平，此时顶底板移近量为250mm，两帮移近量为28mm，充填体横向变形量为1mm;由图6可以看出，“组合”墙接顶层高度为400mm时，顶底板和两帮移近量为转折点，此时为最小值252mm，两帮移近量为28mm，此时接顶层的让压后强度与顶板回转下沉过程的强度耦合。从支撑层强度、接顶层高度和充填体宽度3个影响因素来看，充填体宽度对“组合”墙体影响因子最大。“组合体”支撑层强度、墙体宽度和接顶层高度3个不同影响因素条件下围岩及充填体位移值如图7所示。

　　4现场工业性试验

　　现场监测顶底板最大移近量为480mm，两帮最大移近量为182mm，均位于端头支架处，顶底板平均移近量处于208mm，两帮平均移近量为141mm。瓦斯浓度在回风上隅角浓度达到最大值为0.43%,之后一直呈下降趋势，直至0.08%趋于水平。从留巷效果，瓦斯浓度可以看出，“组合”充填墙沿空留巷方式效果显著。现场监测巷道顶底板位移变化值如图8所示，瓦斯浓度变化值如图9所示。

　　5结语

　　(1)传统混凝土充填墙和高水材料充填墙无法同时实现围岩有效控制和密闭采空区的目的，提出高瓦斯矿井中巷旁“组合”墙体充填方式，上方接顶层可以实现快速密闭采空区，下方支撑层为墙体提供主要支撑，确保巷道围岩和充填体的稳定性。

　　(2)现场工业性试验“组合”充填墙体下层3300mm采用C40混凝土构筑作为支撑层，上层采用1.2∶1的高水材料构筑作为接顶层，充分利用高水材料的让压可缩特性和混凝土的高强度特性。现场监测结果中，留巷围岩稳定情况良好，瓦斯浓度明显下降，均处于安全范围以内。——论文作者：罗明坤1，黄宁2，3，张永军1，2，曹悦2,3