大采深工作面超高水材料充填開采圍巖變形規律研究

畢玉明

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

0 引 言

超高水材料充填技術是針對有效解決工作面回采后頂底板及兩幫垮塌或變形的一項新技術[1-5]，主要原理是采用超高水材料，按一定配比混合成2 種以水為主要載體的漿體，利用其高流動性，在進入采空區前進行混合，利用充填袋，使混合漿體在一定時間內膠結、凝固，達到設計強度，以實現對采空區的充填[6-7]，起到控制圍巖垮塌、變形，減少地表沉降的目的[8-10]。該技術已在山西、河北和陜西部分煤礦得到了初步推廣和應用。本文以邯邢礦區邢東礦為例[11]，對比了超高水填充工作面和非填充工作面的圍巖變形情況，總結變形規律，檢驗超高水填充對回采工作面的圍巖控制效果。

1 工作面概況

邢東礦1126 工作面是一水平一采區第6 個生產工作面，開采山西組2 號煤，煤層埋深800 ～870 m，煤層厚度4.43～4.80 m。工作面位于一水平軌道巷以東，2223 回采工作面以西，南側200 m為F23 斷層，北側40 m 為DF10 斷層。工作面沿煤層傾向布置，傾向長約490 m，走向長約70 m，面積約26 467 m2，工作面可圈出煤炭儲量20.5萬t。工作面煤層頂板和底板巖性以細、粉砂巖為主。特征見表1。

表1 煤層頂底板巖性able 1 Lithology of coal seam roof and floor

2 充填開采技術方案

井田區域內煤層賦存深度大，煤層底板承受地壓大。在礦井一水平各工作面開采過程中，采線前方，兩巷圍巖變形劇烈、地表下沉嚴重，給礦井安全生產和地表環境帶來巨大影響。為減少圍巖變形，減小地表下沉，該礦對1126 工作面采用采空區混合式充填方法[12]進行充填開采。具體施工工藝為，在采煤機推采三刀煤后，在工作面后支架下方形成2.1 m 范圍的等待充填區域，在該區域通過5個隔板支架將待充填區等分為個4 充填空間，在各充填空間內懸掛規格為17 m×2.3 m×5.2 m的充填袋，并向袋中注入超高水充填材料，實現對采空區頂板的充填支護，超高水材料充填示意如圖1 所示。

圖1 超高水材料充填示意Fig. 1 Ultra high water material filling

3 圍巖變形研究

3.1 圍巖變形觀測方案

自工作面開始回采至回采結束，在工作面兩巷每隔一定距離布設礦壓觀測站，對巷道圍巖的變形情況進行連續實時觀測，記錄頂板沉降、兩幫收斂和底鼓數據。依據兩巷實際情況，在工作面運輸巷和運料巷各布設5 個礦壓觀測站，采用DB- II 型巷道斷面收斂儀連續采集巷道兩幫與頂底板位移量（圖2）。

圖2 工作面兩巷測站布置示意Fig. 2 Layout of surveying stations in two roadways of working face

3.2 觀測數據的整理與分析

3.2.1 運料巷收斂觀測

經過385 d 的持續觀測，運料巷兩幫收斂均值為109 mm，頂板沉降均值為67.4 mm，底臌上升均值為169 mm。變形速度兩幫0.28 mm/d，頂板0.17 mm/ d，底臌0.43 mm/ d。隨著工作面推采時間的增加，工作面運料巷道圍巖收縮位移逐漸增大，距采線越近的觀測站觀測到的巷道圍巖收縮量越大。同時，由于f26- 4 斷層的存在，距離采線較遠的一觀測站和二觀測站的位移量較距采線較近的三測站要有所增大。運料巷頂底板及兩幫位移變化趨勢如圖3～圖4 所示。

圖3 運料巷頂底板位移變化趨勢Fig. 3 Displacement variation trend of roof and floor of transportation roadway

圖4 運料巷兩幫位移變化趨勢Fig. 4 Displacement variation trend of two sides of transportation roadway

3.2.2 運輸巷收斂觀測

根據對觀測數據的分析，運輸巷兩幫收斂均值為221 mm，收斂速度為0.6 mm/d；頂板沉降均值為114 mm，沉降速度為0.3 mm/d，底臌均值為135 mm，上升速度為0.36 mm/d。由于f26- 4 斷層的存在，一觀測站和二觀測站的巷道圍巖收縮量較其它觀測站略有增加。運輸巷頂底板及兩幫位移變化趨勢如圖5～圖6 所示。

圖5 運輸巷頂底板位移變化趨勢Fig. 5 Displacement trend of roof and floor of transportation roadway

圖6 運輸巷兩幫位移變化趨勢Fig. 6 Displacement variation trend of two sides of transportation roadway

3.3 與非充填工作面的變形數據對比分析

邢東礦2122 和2223 是非充填開采工作面，煤層賦存條件與1126 工作面相似。為進一步分析、對比超高水充填開采工作面和非充填開采工作面兩巷圍巖的礦壓顯現規律，在2122 和2223 工作面回采過程中，在2 個工作面運料巷分別布設了3 個觀測站對其進行了為期95 d 和340 d 的連續定期觀測，并根據觀測數據，分別繪制出2122 和2223 工作面運料巷兩幫及頂底板位移變化趨勢圖（圖7 ～圖10），充填開采與非充填開采頂底板和兩幫位移對比見表2。

表2 充填開采與非充填開采頂底板和兩幫位移對比Table 2 Comparison of displacement of roof, floor and two sides between filling mining and non- filling mining

圖7 2122 運料巷頂底板位移變化趨勢Fig. 7 Displacement variation trend of roof and floor of 2122 roadway

圖10 2223 運輸巷頂底板位移變化趨勢Fig. 10 Displacement trend of roof and floor of 2223 transportation roadway

（1） 充填開采工作面兩巷頂底板的最大位移值364 mm，最小值為175 mm，平均位移243.1 mm。從趨勢圖可以看出，各觀測站的位移隨推采時間的增加而逐漸趨穩，未出現明顯的周期性位移增大，說明充填開采工作面的周期性來壓不明顯或者是沒有；非充填開采工作面兩巷頂底板位移最大值1 482 mm，最小值為601 mm，兩值差高達881 mm。如此，在趨勢圖中就形成了周期性陡峭折線。從觀測數據可以看出，采用超高水充填開采頂底板的最大和最小位移量較非充填開采分別減少了1 118 mm 和426 mm。表明超高水充填開采對控制頂底板活動和周期性來壓具有良好效果。

圖8 2122 運料巷兩幫位移變化趨勢Fig. 8 Displacement variation trend of two sides of 2122 transportation roadway

圖9 2223 運輸巷兩幫位移變化趨勢Fig. 9 Displacement variation trend of two sides of 2223 transportation roadway

（2） 充填開采工作面巷道兩幫的最大位移值404 mm，最小值為36 mm，平均位移243.1 mm。從趨勢圖可以看出各觀測站的位移隨推采時間的增加而逐漸趨穩，未出現明顯的周期性位移增大，這就可以說明充填開采工作面的周期性來壓不明顯或者是沒有；非充填開采工作面巷道兩幫位移最大值1 081 mm， 最小值為345.22 mm， 兩值差高達735.78 mm。如此，在趨勢圖中就形成了周期性陡峭折線。從觀測數據可以看出，采用超高水充填開采工作面巷道兩幫的最大和最小位移量較非充填開采分別減少了677 mm 和309 mm。表明超高水充填開采對控制巷道兩幫活動及工作面周期來壓具有良好效果。

4 結 語

較非充填開采工作面，在超高水材料充填開采條件下，將超高水材料及時注入工作面推采后形成的采空區，模擬煤層的原巖狀態，使采線前方煤體、充填體與煤層頂板形成類似簡支梁的承載結構，上覆巖層因充填體的及時支撐而減少下沉，從而降低工作面兩巷圍巖變形程度，有效控制工作面周期性來壓。