礦區(qū)綜采大采高工作面的沿空留巷巷旁支護技術(shù)研究及應(yīng)用

（內(nèi)蒙古裕興礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016064）

沿空留巷是無礦柱開采技術(shù)的重要措施之一，在生產(chǎn)過程中，顯著體現(xiàn)著其安全性和經(jīng)濟性。因此，沿空留巷技術(shù)在我國的各大礦區(qū)得到普遍的推廣和應(yīng)用。為了進一步研究礦層地質(zhì)條件和大采高綜采開采條件下沿空留巷技術(shù)的適用性，本文以某省某礦區(qū)某礦主采礦層綜采大采高工作面的沿空留巷巷旁支護為工程背景，從沿空留巷的控制機理、巷旁充填體的支護設(shè)計、支護效果監(jiān)測等方面進行了分析，以此為類似地質(zhì)條件下的沿空留巷巷旁支護技術(shù)的應(yīng)用提供借鑒。

1 工程背景

（1）礦層賦存條件。某礦位于陜西省境內(nèi)，目前主采的5#礦層屬二疊系山西組，平均埋深在625m，礦層傾角在5°～12°，平均8°的近水平礦層，普氏系數(shù)f為1.0左右，另外礦層的水文地質(zhì)條件簡單，頂板砂礦中含有微量水源。

（2）工作面概況。為了提高礦層回采率，對5#礦層采用一次采全高的綜合機械化采礦方法，區(qū)段之間實行沿空留巷技術(shù)，即將上區(qū)段的軌道平巷作為下區(qū)段的回風(fēng)平巷。在進行5#礦層首采區(qū)首采面35101工作面回采過程中，沿空留巷巷內(nèi)支護采用錨桿錨索聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)，巷旁支護體為普通水泥砂漿材料。當(dāng)該區(qū)段工作面完全推過后，沿空留巷采空區(qū)側(cè)的巷旁支護體發(fā)生了明顯的壓縮變形，導(dǎo)致沿空留巷變形量超過了其允許的變形量。在綜合考慮礦層松軟等條件后，決定通過改進巷旁支護體來控制沿空留巷的變形量和確保工作面的安全回采。

2 礦區(qū)沿空留巷的控制機理

（1）沿空留巷覆礦特征。根據(jù)礦層控制的關(guān)鍵層理論，礦層回采后，采場附近的上覆礦層破斷形成砌體梁結(jié)構(gòu)。區(qū)別于普通區(qū)段平巷，礦區(qū)綜采大采高的沿空留巷采空區(qū)側(cè)是巷旁支護體，留巷頂板下沉受制于上部直接頂?shù)目缏浜突卷數(shù)幕剞D(zhuǎn)下沉運動，另外，由于沿空留巷上部基本頂在實體礦側(cè)和采空區(qū)側(cè)的板下沉量不均，采空區(qū)側(cè)頂板下沉量明顯大于實體礦側(cè)，導(dǎo)致巷旁支護體承受更大的荷載，巷旁支護更加困難。在沿空留巷條件下，巷旁充填體、沿空留巷的巷內(nèi)支護結(jié)構(gòu)、實體礦礦壁三者共同承擔(dān)上覆礦層的支承壓力。隨著工作面的不斷推進，基本頂?shù)V層中的關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)和下沉，人工設(shè)計的巷旁充填體和巷內(nèi)支護結(jié)構(gòu)將會在很大程度上影響上覆礦層的運動規(guī)律，從而把巷道變形量控制在工程允許的范圍之內(nèi)，以保證回采巷道的穩(wěn)定性和安全性。

（2）巷旁充填體支護阻力分析。沿空留巷過程中，巷旁充填體的支護效果是確保巷道正常使用、保證沿空留巷技術(shù)成功實施的關(guān)鍵要素之一。通常情況下，沿空留巷的巷旁支護體前期要承擔(dān)直接頂?shù)V層的整體自重，因此必須具有一定的支護阻力以切斷直接頂?shù)V層。另外，在基本頂關(guān)鍵層斷裂后，巷旁支護體將要承受來自上方關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)和下沉作用的影響，以控制巷道變形量在規(guī)定的范圍內(nèi)。

根據(jù)實體礦、巷內(nèi)支護、巷旁支護三者之間的關(guān)系，巷旁支護體的臨界阻力為：

式中：ha—直接頂厚度，m；hb—上覆基本頂?shù)炔荒茏晕移胶獾牡V層厚度，m；γa—直接頂容重，kN/m3；γb—上覆基本頂?shù)鹊V層的平均容重，kN/m3；x0—實體礦側(cè)的塑形平衡區(qū)寬度，m；L—基本頂周期來壓最大步距，m；d—巷旁支護體寬度，m；c—沿空留巷的巷道寬度，m。

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

（1）根據(jù)35102工作面的地質(zhì)和開采技術(shù)情況及現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，取直接頂厚度ha為3.16m，直接頂容重γa為21.5kN/m3，基本頂厚度hb厚度為9.72m，基本頂容重γb為32kN/m3，實體礦側(cè)塑性平衡區(qū)寬度x0為8.2m，基本頂周期來壓最大步距L為21m，巷旁支護體寬度d為1.0m，沿空留巷的巷道寬度c為3.0m。將上述參數(shù)代入計算公式（1），求得巷旁支護體的臨界阻力F為7.36MPa。因此在進行巷旁支護體相關(guān)材料選擇及設(shè)計時，其支護強度要大于7.36MPa，才能保證沿空留巷的安全性和有效性。

（2）巷旁支護體支護設(shè)計。在進行巷旁支護體材料選擇時，低強度的配比材料不能起到有效支護上覆頂板的作用，導(dǎo)致巷道變形量較大；高強度的配比材料必然會使巷旁支護體承擔(dān)更多的上覆礦層壓力，導(dǎo)致明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于底板礦層的穩(wěn)定性。根據(jù)該礦層的實際地質(zhì)情況及首采面沿空留巷的經(jīng)驗，用膏體充填料替換傳統(tǒng)的水泥砂漿材料，即通過水泥、粉礦灰作為膠凝材料，矸石和砂子作為惰性骨料，加入早強劑和減水劑等改善混合和材料性能。為使配制的巷旁充填體能取得較好的支護效果，在查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料和配比經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，確定水泥、粉礦灰、砂子、矸石骨料、水按照質(zhì)量比為3.5：1.1：3.6：27.2：10.5混合均勻進行配制，并且添加適量的早強劑和減水劑，兩者占整體質(zhì)量的1.3%。巷內(nèi)及實體礦幫側(cè)支護仍使用之前的支護參數(shù)，巷旁支護體為替換后的膏體充填材料。

4 結(jié)論

礦層控制的關(guān)鍵層理論認(rèn)為，礦層回采后，由于沿空留巷上部基本頂在實體礦側(cè)和采空區(qū)側(cè)的板下沉量不均，尤其厚礦層大采高開采條件下，沿空留巷巷道的采空區(qū)側(cè)頂板下沉量明顯大于實體礦側(cè)，導(dǎo)致巷旁支護體承受更大的荷載，巷旁支護更加困難。根據(jù)該礦層的實際地質(zhì)情況及首采面沿空留巷的經(jīng)驗，用膏體充填料替換傳統(tǒng)的水泥砂漿材料，有效控制了頂板下沉，并且保持了較好的完整性，巷道變形和充填體內(nèi)部應(yīng)力在允許范圍內(nèi)，巷旁支護技術(shù)取得了較為成功的應(yīng)用。