高瓦斯工作面沿空留巷圍巖控制機(jī)理及其工程應(yīng)用

孟慶安

（山西保利鐵新煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 031302）

近年來，隨著煤炭產(chǎn)量與采出效率大幅提高，工作面上隅角瓦斯積聚問題愈發(fā)突出，已成為限制高瓦斯礦井安全生產(chǎn)的重要影響因素[1-3]。相比傳統(tǒng)“U”或“U+L”通風(fēng)方式，通過沿空留巷技術(shù)實(shí)現(xiàn)工作面“Y”型通風(fēng)（兩進(jìn)一回）方式，可顯著優(yōu)化工作面瓦斯流動(dòng)方向，允許新鮮風(fēng)流以較高速度不斷沖刷上隅角等瓦斯易積聚區(qū)域，從而極大緩解瓦斯超限問題，因此，沿空留巷技術(shù)已在我國(guó)高瓦斯礦井中大范圍推廣使用[4-5]。大量研究表明，沿空留巷技術(shù)成敗的關(guān)鍵在于能否實(shí)現(xiàn)沿空巷道圍巖特別是充填墻體的穩(wěn)定性控制[6]，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在沿空巷道充填墻體設(shè)計(jì)方面做了大量卓有成效的研究[7-13]。但實(shí)質(zhì)上，由于煤礦地質(zhì)生產(chǎn)條件的差異性和復(fù)雜性，沿空留巷覆巖破斷結(jié)構(gòu)及圍巖運(yùn)動(dòng)型式、煤巖體應(yīng)力應(yīng)變特性等均表現(xiàn)出了較大的差異性，且現(xiàn)有文獻(xiàn)中基于覆巖破斷特征和運(yùn)動(dòng)型式揭示沿空留巷圍巖變形與控制機(jī)理方面的研究尚較少。結(jié)合鐵新煤業(yè)7828工作面具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，開展沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)研究，首先分析采空區(qū)上覆巖層結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，據(jù)此確定沿空巷道圍巖控制機(jī)理；然后結(jié)合試驗(yàn)工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件，確定沿空留巷巷旁充填墻體材料和支護(hù)、巷內(nèi)支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)等具體控制參數(shù)；通過對(duì)巷道變形情況和風(fēng)阻變化情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)了沿空巷道圍巖控制和通風(fēng)效果，研究成果對(duì)于類似礦井沿空留巷工程具有借鑒意義。

1 工程概況

試驗(yàn)工作面主采7#煤層，平均埋深500 m；直接頂為2.4 m厚的泥巖，灰黑色，堅(jiān)硬性脆，節(jié)理發(fā)育含黃鐵礦結(jié)核，f＝3；基本頂為10.5 m厚細(xì)砂巖，深灰色，堅(jiān)硬，水平層理發(fā)育，f＝5；底板為1.3 m厚粉砂巖，含植物化石，f＝4；基本底為5.5 m厚中砂巖，堅(jiān)硬性脆，f＝6。

為解決以往“U”通風(fēng)方式下存在的上隅角及回采巷道瓦斯超限問題，擬在7828工作面開展沿空留巷現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，7828工作面走向長(zhǎng)度800 m，傾斜長(zhǎng)度60 m，沿空留巷采掘布置示意圖如圖1。擬采用由7828運(yùn)輸平巷（進(jìn)風(fēng)）、7828回風(fēng)平巷（進(jìn)風(fēng)）與沿空留巷（回風(fēng)）組成的“兩進(jìn)一回”式通風(fēng)系統(tǒng)。

2 沿空留巷覆巖運(yùn)動(dòng)特征及其控制機(jī)理

2.1 沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)特征

研究表明，沿空留巷圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及塑性破壞范圍特征與覆巖大結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式及其形成的空間結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，要實(shí)現(xiàn)沿空留巷圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定，沿空巷道支護(hù)體特性應(yīng)與覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律相適應(yīng)，沿空留巷覆巖運(yùn)動(dòng)過程可描述如下[7]：①隨著工作面向前推進(jìn)，直接頂首先垮落，然后基本頂開始彎曲下沉，當(dāng)彎曲下沉到一定程度，基本頂將于實(shí)體煤上方發(fā)生破斷并向采空區(qū)方向加速回轉(zhuǎn)，直至基本頂觸矸為止；②隨著基本頂不斷向采空區(qū)方向回轉(zhuǎn)下沉，采空區(qū)垮落矸石逐漸被壓實(shí)，其對(duì)頂板巖層提供的支護(hù)阻力亦隨之增大，直至支護(hù)阻力與頂板壓力達(dá)到平衡狀態(tài)，基本頂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)束。最終形成的沿空留巷上覆巖層結(jié)構(gòu)如圖2，其中塊體B對(duì)于沿空留巷圍巖穩(wěn)定性具有重要影響，其沿水平方向受到塊體A與塊體C夾持力保持平衡，沿鉛錘方向受到充填墻體、采空區(qū)垮落矸石與實(shí)體煤幫的支撐力保持平衡。

2.2 沿空留巷圍巖控制機(jī)理

根據(jù)上述沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征，結(jié)合7828工作面具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，提出以下的沿空留巷圍巖控制機(jī)理[2]。

1）高預(yù)應(yīng)力錨桿/索支護(hù)。對(duì)于試驗(yàn)巷道而言，其兩幫煤體和頂板巖層強(qiáng)度均較低，裂隙極為發(fā)育，受關(guān)鍵塊B破斷及大幅回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)影響，沿空留巷圍巖極易發(fā)生破裂失穩(wěn)，并產(chǎn)生強(qiáng)烈擠壓大變形，因此，有必要采用高預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行基本支護(hù)，保證圍巖整體性和完整性；考慮到沿空留巷服務(wù)周期長(zhǎng)、受多次劇烈采動(dòng)影響，對(duì)圍巖進(jìn)行錨索加固可進(jìn)一步提高圍巖整體承載能力，保障圍巖整體性和長(zhǎng)期穩(wěn)定。

2）早強(qiáng)、快速增阻、可縮性的充填墻體支護(hù)。充填墻體是沿空留巷的重要組成結(jié)構(gòu)，其能否保持穩(wěn)定是沿空留巷成敗的關(guān)鍵，根據(jù)留空巷道覆巖運(yùn)動(dòng)特征可知，初期關(guān)鍵塊B運(yùn)動(dòng)較為活躍、下沉量較大，此階段充填墻體應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和快速增阻的特性，以便墻體短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的支護(hù)阻力，增加與頂板運(yùn)動(dòng)在時(shí)間和空間上的適應(yīng)性；后期關(guān)鍵塊B將發(fā)生大幅度的傾斜回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)留巷圍巖產(chǎn)生較大的偏斜擠壓力，此階段充填墻體應(yīng)具備一定可縮性適應(yīng)頂板大幅回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)頂板壓力向采空區(qū)垮落矸石的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)沿空巷道圍巖穩(wěn)定。

3）高強(qiáng)巷旁支護(hù)。關(guān)鍵塊B回轉(zhuǎn)下沉運(yùn)動(dòng)對(duì)留巷圍巖產(chǎn)生的壓力是巨大的，僅僅依賴實(shí)體煤幫與充填墻體是無法保證巷道穩(wěn)定的，因此，需要通過承載能力高、抗彎性能強(qiáng)、塑性和韌性好的巷旁支護(hù)措施增強(qiáng)對(duì)頂板巖層的支撐能力，抵抗覆巖劇烈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)壓影響，保障劇烈采動(dòng)影響下沿空留巷具有充足的巷道斷面滿足通風(fēng)需求。

3 沿空留巷圍巖控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 充填墻體設(shè)計(jì)

3.1.1 充填材料確定

目前較為常用的沿空留巷充填墻體澆筑材料主要有高水材料、膏體材料、混凝土材料等[9]。結(jié)合礦方現(xiàn)有條件，選擇高水材料作為墻體構(gòu)筑材料，其由甲、乙2種原料構(gòu)成，按質(zhì)量比1∶1配合，含水率可達(dá)86%～90%，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到的各齡期強(qiáng)度見表1。由表1可知，高水材料7 d強(qiáng)度即達(dá)15 MPa，28 d強(qiáng)度達(dá)到25 MPa，7 d強(qiáng)度約為最終強(qiáng)度的60%，表明其具有凝固速度快、早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可滿足現(xiàn)場(chǎng)工程需求。

表1 各齡期高水材料抗壓強(qiáng)度 MPa

3.1.2 充填墻體寬度確定

為確定合理充填墻體寬度，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析不同墻體寬度下沿空巷道圍巖應(yīng)力位移分布特征。不同墻體寬度下圍巖應(yīng)力分布如圖3，由圖3可知，充填墻體內(nèi)垂直應(yīng)力呈倒“U”型分布特征，隨著墻體寬度增大，峰值應(yīng)力呈不同幅度增大：墻體寬度由1.0 m增大至2.0 m過程中，峰值應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢且應(yīng)力值小于4.5 MPa，表明充填墻體承載能力較??；墻體寬度由2.0 m增大至3.5 m過程中，峰值應(yīng)力增大幅度明顯增加，表明墻體承載能力明顯增大。

圖3 不同充填墻體寬度下應(yīng)力分布曲線

不同墻體寬度下圍巖變形如圖4。由圖4可知，當(dāng)墻體寬度由1.0 m增長(zhǎng)至2.0 m過程中，巷道圍巖變形顯著降低，但此時(shí)巷道殘余斷面為7.8～8.9 m2，不能滿足正常通風(fēng)需要；當(dāng)墻體寬度超過2.0 m時(shí)，巷道變形緩慢降低并逐漸趨于穩(wěn)定，巷道殘余斷面大于9 m2，可保證正常通風(fēng)需要。此外，巷道最大變形出現(xiàn)在頂板部位，充填墻體變形次之，底板和實(shí)體煤幫變形最小，因此，在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)巷道頂板和充填墻體支護(hù)。

圖4 不同充填墻體寬度下圍巖變形曲線

墻體寬度2.5 m時(shí)，沿空留巷圍巖頂板變形量為469 mm，底板變形量為296 mm，實(shí)體煤幫變形量為312 mm，充填墻體變形為389 mm，巷道變形在合理范圍內(nèi)，可滿足巷道通風(fēng)需求。

綜合上述模擬結(jié)果，考慮到不同墻體寬度下沿空巷道圍巖應(yīng)力與位移分布特征，當(dāng)墻體寬度2.5 m時(shí)，可保證充填墻體較高的承載能力，同時(shí)巷道具有足夠的巷道斷面面積滿足通風(fēng)需求。

3.2 沿空留巷圍巖支護(hù)方案

為了保證沿空留巷圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定，結(jié)合相關(guān)理論和工程實(shí)踐，確定沿空留巷斷面5 600 mm×3 400 mm，具體支護(hù)方案如下。

1）頂板支護(hù)。頂板選用直徑20 mm螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，長(zhǎng)度2 500 mm，錨桿間排距為850 mm×900 mm，使用1卷Z2335和1卷Z2360錨固，錨桿預(yù)緊力不低于80 kN，靠?jī)蓭湾^桿向外側(cè)傾斜15°，錨桿采用鋼筋梯子梁連接；錨索選用φ19.8 mm×7 300 mm的鋼絞線，間排距為1 400 mm×2 700 mm，使用1卷Z2335和2卷Z2360錨固，錨索預(yù)緊力不低于120 kN，相鄰錨索選用槽鋼連接。

2）實(shí)體煤幫支護(hù)。實(shí)體煤幫選用直徑18 mm螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，長(zhǎng)度2 000 mm，錨桿間排距為900 mm×900 mm，使用1卷Z2335和1卷Z2360錨固，錨桿預(yù)緊力不低于80 kN，靠頂?shù)装邋^桿向外側(cè)傾斜15°，相鄰錨桿采用鋼筋梯子梁連接。

3）充填墻體支護(hù)。充填墻體高度為2 100 mm，寬度2 500 mm，為防止其在頂板壓力下發(fā)生壓縮變形，采用錨栓進(jìn)行對(duì)穿加固，錨栓選用直徑為18 mm螺紋鋼，間排距為700 mm×900 mm。

4）巷旁加強(qiáng)支護(hù)。在工作面前方20 m范圍及滯后5～30 m范圍內(nèi)，架設(shè)由1.2 m鉸接頂梁及單體液壓支柱組成的走向梁進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。7828沿空留巷支護(hù)方案如圖5。

圖5 7828沿空留巷支護(hù)方案

4 工程效果分析

巷道表面位移是反映巷道圍巖穩(wěn)定狀況的綜合指標(biāo)。沿空留巷施工完成后，隨著工作面的向前推進(jìn)，巷道圍巖發(fā)生變形和移動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的沿空留巷頂?shù)装迮c兩幫位移變化曲線如圖6。

圖6 7828沿空留巷圍巖變形曲線

由圖6可知，頂?shù)装逡平?、兩幫移近量在工作面推過后即開始較大幅度增長(zhǎng)，直至工作面推過50 m后，巷道變形才逐漸趨于平緩，頂?shù)装逡平窟_(dá)到475 mm，兩幫移近量達(dá)到410 mm；之后，巷道變形趨于緩慢增長(zhǎng)，直至保持基本恒定，工作面推過120 m后，頂?shù)装遄畲笠平窟_(dá)到521 mm，兩幫最大移近量達(dá)到443 mm，巷道變形在合理范圍內(nèi)，可以滿足巷道通風(fēng)需求。

5 結(jié)論

1）沿空留巷圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及塑性破壞與覆巖運(yùn)動(dòng)特征密切相關(guān)，根據(jù)沿空留巷覆巖活動(dòng)規(guī)律，確定沿空留巷圍巖控制應(yīng)選擇高預(yù)應(yīng)力錨桿（索）支護(hù)，早強(qiáng)、快速增阻、可縮性的充填墻體及高強(qiáng)巷旁支護(hù)措施。

2）選用高水材料構(gòu)筑充填墻體，7 d強(qiáng)度達(dá)到15 MPa，28 d強(qiáng)度達(dá)到25 MPa，具有凝固速度快、早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)墻體寬度超過2.0 m時(shí)，充填墻體具有足夠承載能力且圍巖整體變形趨于穩(wěn)定，巷道斷面面積大于9 m2，滿足通風(fēng)需求，據(jù)此確定合理充填墻體寬度為2.5 m。

4）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，7828沿空留巷頂?shù)装遄畲笪灰茷?21 mm，兩幫最大位移為443 mm，巷道變形在合理范圍內(nèi)，巷道各區(qū)段風(fēng)阻合理。