沿空留巷巷旁充填體寬度與支護技術(shù)研究

劉鵬飛

（神東煤炭集團有限責任公司錦界煤礦，陜西 神木 719319）

沿空留巷是指工作面回采時，在沿采空區(qū)邊緣維護原回采巷道，不留設(shè)保護煤柱，將上一區(qū)段工作面上順槽維護保留，作為下一區(qū)段工作面回采的下順槽[1]。沿空留巷可以最大限度地回收資源，避免煤體損失。但是沿空留巷巷道受上覆不均勻載荷影響，巷道圍巖易發(fā)生變形破壞，頂?shù)装遄冃沃迪鄬^大，需合理的設(shè)計參數(shù)與支護方案來防止巷道圍巖變形破壞。本文以神東煤炭集團錦界煤礦31115 綜采工作面沿空留巷為工程背景，通過分析沿空留巷失穩(wěn)機理，對沿空留巷的設(shè)計、支護參數(shù)進行優(yōu)化。

1 工程背景

31115 工作面回采時，在運順正幫側(cè)澆筑柔模砼墻進行沿空留巷，設(shè)計留巷寬4.2 m，高2.85 m，長5 183.2 m，31115 運順留巷作為31116 回順使用。煤層平均厚度3.28 m，厚度穩(wěn)定，普氏硬度系數(shù)1～3。31115 工作面局部存在偽頂，巖性為泥巖，遇水易泥化，抗壓強度約27.02 MPa，堅固性較低，易冒落，屬不堅硬類不穩(wěn)定型；31115 工作面直接頂巖層屬于粉砂巖，平均飽和抗壓強度41.6 MPa；基本頂巖性為中粒砂巖，平均飽和抗壓強度40.9 MPa；直接底為砂質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖，平均飽和抗壓強度為37.3～41.2 MPa。沿空留巷巷道頂?shù)装逦锢砹W參數(shù)見表1。

31115 巷道頂板巖層是粉砂巖，層理為近水平及波狀，底板巖層由砂質(zhì)泥巖組成，軟化性較強，煤層堅固性系數(shù)較低。受沿空留巷特殊結(jié)構(gòu)影響，巷道靠近采空區(qū)一側(cè)有可能產(chǎn)生頂板劇烈下沉、底鼓、片幫等礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，因此揭示巷道失穩(wěn)破壞原因顯得尤為重要。

表1 巷道頂?shù)装逦锢砹W參數(shù)

2 沿空留巷巷道失穩(wěn)原因分析

31115 工作面沿空留巷巷道除受到31115 工作面滯后及側(cè)向支承壓力影響，還要受到31116 工作面回采動壓的劇烈影響，巷道支護十分困難。31115工作面沿空留巷示意圖如圖1。

圖1 沿空留巷示意圖

由圖1 可知，31115 工作面回采后，31115 工作面采空區(qū)中粒砂巖基本頂無法及時斷裂垮落，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。31115 工作面采空區(qū)中粒砂巖基本頂?shù)拇怪睉D(zhuǎn)移到31115 工作面沿空留巷巷道的頂板，31115 工作面沿空留巷巷道圍巖受應力集中影響，變形持續(xù)增加直至破壞。而后，巷道上部直接頂與基本頂繼續(xù)破壞，在31115 工作面沿空留巷上部及靠近采空區(qū)部分形成A、B、C 三個塊體，基本頂及上覆巖層載荷作用到沿空留巷上[2]。隨著31115 工作面回采，頂板巖層的撓曲運動會造成支承壓力的重新分布，31115 工作面沿空留巷巷道圍巖承擔基本頂及其上覆巖層的載荷，為了將沿空留巷巷道圍巖變形控制在安全范圍內(nèi)，需要對沿空留巷充填體寬度和巷道補強支護參數(shù)進一步展開研究。

3 沿空留巷充填體寬度確定

當巷道高度一定時，巷道寬高比與充填體寬高比對沿空留巷巷道的穩(wěn)定性和沿空留巷成本有一定影響[3]。在最大程度上消除留巷額外成本并保證留巷技術(shù)可行性的前提下，提出最優(yōu)寬高比，是指巖層運動前期能夠支撐住頂板、后期能夠適應頂板變形，并且與頂?shù)装鍘r層形成協(xié)調(diào)承載的最優(yōu)寬高比值。31115 沿空留巷巷道寬高比與充填體寬高比計算如式（1）、（2）。

式中：b 為巷道寬度，4.2 m；h 為巷道高度，2.85 m；a 為充填寬度，1 m；Rm為巷道頂?shù)装鍙姸鹊淖钚≈担?.7×107Pa；σ1為充填體第一主應力，2.6×103Pa；m0為采高，3.2 m；h1為直接頂厚度，取值3.2 m；h2為直接底厚度，1.5 m；E 為充填體彈性模量，3.25×109Pa；E1為直接頂彈性模量，9.5×109Pa；E2為直接底彈性模量，4.5×109Pa；δ為空頂距，0.3 m；γ 直接頂巖層容重，28 kN/m3；l 為周期來壓步距，12 m；K 為直接頂?shù)乃槊浵禂?shù)，1.2；x0為基本頂斷裂基點至沿空留巷煤幫的水平距離，1 m；η 為常數(shù)，4。

代入計算得巷道寬度4.2 m 在安全合理的范圍內(nèi)，充填體寬度應在0.83～1.67 m 之間，選取1 m。

4 沿空留巷補強支護方案設(shè)計

（1）被動支護方案

對于31115 工作面沿空留巷巷道，在31115 工作面回采以后，原巷道一側(cè)煤幫不復存在，巷道結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，圍巖整體承受更大應力作用，更易發(fā)生破壞。而沿空留巷的充填體設(shè)置初期強度較低，充填體到達較高的支護強度需要一定時間[4]。在充填體形成較高的支護效果前，必須給巷道提供高阻力的被動支護，抑制頂板向下移進，并為充填體形成提供安全穩(wěn)定的空間。故選取單體支柱配頂梁的加強支護對巷道進行支護。

（2）主動支護方案

31115 工作面沿空留巷受采空區(qū)傳遞的不均載荷影響，巷道靠近采空區(qū)一側(cè)圍巖裂隙發(fā)育嚴重，巷道整體頂?shù)装逡桩a(chǎn)生大變形破壞，塑性區(qū)范圍較大。為高效安全遏制巷道兩幫與頂?shù)装遄冃?，選取的支護方式需控制圍巖變形直至變形趨于穩(wěn)定，選擇錨索補強支護滿足圍巖變形控制要求。

錨索錨固長度La計算如式（3）。

式中：k 為安全系數(shù)，2；d1為錨索鋼絞線直徑，21.6 mm；fs為鋼絞線抗拉強度，1860 MPa；fc為錨索與錨固劑的設(shè)計黏結(jié)強度，10 MPa。

代入計算得La應大于2 008.8 mm，所以選用La=2.1 m。

錨索長度L 計算如式（4）。

式中：L 為錨索總長度，m；La為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，2.1 m；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定的巖層厚度，（從安全方面考慮取巖層最小與最大厚度的均值）4 m；Lc為錨索外露長度，0.25 m。

代入計算得L=2.1+4+0.25=6.35 m，選用L=6.5 m。

31115 工作面沿空留巷巷道支護斷面圖如圖2。

圖2 31115 工作面沿空留巷巷道支護斷面圖

5 現(xiàn)場實測

為了檢驗巷旁充填體寬度與巷道補強支護方案的效果，從距31115 工作面開切眼40 m 到520 m段布置四組測站，測站間距分別為90 m、150 m 和240 m。在31115 工作面回采期間，對31115 工作面沿空留巷巷道圍巖位移進行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 31115 工作面沿空留巷巷道位移監(jiān)測表

由表2 可知，巷道兩幫最大移近量為148 mm，巷道煤體側(cè)頂?shù)鬃畲笠平繛?91 mm，巷旁支護側(cè)頂?shù)鬃畲笠平繛?99 mm。沿空留巷巷道頂?shù)装迮c兩幫的變形量控制在合理、安全的范圍內(nèi)，保證31116 工作面安全開采，增加煤柱回收率，證明了31115 工作面沿空留巷充填體寬度與巷道補強支護的合理性、有效性。

6 結(jié)論

（1）31115 工作面沿空留巷巷道受自身結(jié)構(gòu)的影響，受采空區(qū)產(chǎn)生的應力集中和基本頂及其上覆巖層載荷共同作用，巷道兩幫與頂?shù)装逡桩a(chǎn)生較大變形。

（2）合理的沿空留巷巷旁充填體寬度、巷道補強支護參數(shù)可以有效控制巷道圍巖變形。

（3）現(xiàn)場實測可知：頂?shù)装遄冃沃蹬c兩幫變形值控制在合理、安全的范圍內(nèi)，本設(shè)計、支護方案保證回采的高效安全進行。