綜放工作面沿空留巷充填墻體變形分析

原紅波

(山西蘭花集團東峰煤礦有限公司，山西 晉城 048000)

煤炭占能源結(jié)構(gòu)的70%左右，在未來相當長時期內(nèi)，煤炭作為主體能源的地位不會改變，因此煤炭資源回收率將至關(guān)重要[1]。針對煤炭資源回收率低的問題，根據(jù)多年研究，先后提出了沿空掘巷、沿空留巷、小煤柱開采、110工法、N00工法等技術(shù)手段，其中沿空留巷技術(shù)最為成熟與突出。2012年西安科技大學提出“煤炭資源完全開采”的理念和配套技術(shù)，采用柔模支護技術(shù)手段，提高煤炭回收率，為煤礦開采創(chuàng)造更有利的條件[1-2]。

柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)可以回收工作面之間煤柱，延長礦區(qū)服務年限；降低巷道掘進率，從根源上減少頂板事故；回采工作面實現(xiàn)Y型通風，消除回風隅角瓦斯積聚。因此，積極推廣無煤柱沿空留巷技術(shù)可以促進煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，提高煤礦安全生產(chǎn)水平，保證國家能源戰(zhàn)略安全[3-6]。

1 工作面沿空留巷現(xiàn)狀

柔模混凝土沿空留巷支護技術(shù)已在神華集團、翼中能源、山西潞安、陽煤集團等多個煤礦多個工作面進行了成功應用，取得了良好的經(jīng)濟、安全和社會效益。大部分礦井采用柔?；炷林ёo技術(shù)均是在大采高工作面，綜采放頂煤工作面采用很少。東峰煤礦與西安科技大學進行了沿空留巷技術(shù)合作，在井下3G02工作面軌道順槽進行了試驗性開采。

東峰煤礦沿空留巷柔?；炷翂w厚1.2m，混凝土墻高度3.1～3.2m，留巷寬度4m。巷內(nèi)采用錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護方式。頂板錨索采用三二三二布置，錨索型號為Φ17.8×8400mm；頂板每排采用6根高強錨桿支護，錨桿型號為Φ20×2200mm，間距950mm，排距950mm；煤幫采用高強錨桿進行支護，每排四根，錨桿型號為Φ20×2200mm，間距750mm，排距950mm。采空區(qū)采用ZRL9220/22/34D沿空留巷擋矸支架配合雙層金屬網(wǎng)維護，支架由2排窄體支架組成，外形尺寸6.5×1.6×2.2m，支架工作阻力9220kN，初撐力7760kN，支護強度1.2MPa。超前工作面40m范圍內(nèi)沿順槽走向采用一梁五柱進行臨時加強支護，排距1000mm；滯后工作面100m范圍內(nèi)沿順槽走向采用一梁三柱臨時加強支護，排距1000mm，單體支柱的型號為DZ31.5，超前π型鋼梁的長度為4800mm，滯后π型鋼梁的長度為3600mm。

截至2018年5月，3G02工作面軌道順槽試驗沿空留巷結(jié)束，共留巷615m。沿空留巷施工期間受回采工作面采動和采空區(qū)基本頂垮落影響，巷道壓力較大，出現(xiàn)頂板下沉、墻體劈裂、幫鼓等現(xiàn)象，巷道壓力主要表現(xiàn)在滯后工作面50～150m范圍內(nèi)。留巷結(jié)束后巷道壓力主要表現(xiàn)為底鼓。

2 沿空留巷柔?；炷翂w變形分析

2.1 測站布置

為觀測沿空留巷柔模墻體壓力變化，沿空留巷施工過程中在柔模墻體內(nèi)預埋6組柔模墻體監(jiān)測系統(tǒng)，每組有6～7個壓力表，用于監(jiān)測墻體縱向受壓情況。同時在墻體靠巷道一側(cè)安裝3個錨栓壓力表，用于監(jiān)測墻體橫向受壓情況。布置位置如表1。

表1 墻體測站布置

2.2 柔模墻體壓力變形觀測

留巷過程中，柔模墻體有不同程度的破壞。巷道整體變形主要表現(xiàn)為靠墻體的剪切變形，形成臺階。受損墻體主要表現(xiàn)為上部局部墻鼓、劈裂現(xiàn)象。留巷完成后，巷道壓力主要表現(xiàn)為底鼓，柔?；炷翂w下方整體向巷道內(nèi)偏移，造成擠壓力，導致巷道底鼓。

圖1 一號測站柔?；炷翂w壓力觀測結(jié)果

1#墻體監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析如圖1。在滯后130m的范圍內(nèi)，墻體壓力上升至最大值0.7MPa，在滯后130～150m范圍內(nèi)壓力急劇降為0.28MPa，在滯后150～200m范圍內(nèi)上升至0.67MPa，在150～300m穩(wěn)定在0.9MPa左右。該壓力曲線在滯后130～150m時出現(xiàn)明顯變化，這是由于頂板大面積垮落，周期來壓所致。滯后工作面200m左右位置處壓力穩(wěn)定，此后采空區(qū)被垮塌的矸石充滿。

圖2 二號測站柔?；炷翂w壓力觀測結(jié)果

2#墻體監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析如圖2所示。0～40m的范圍內(nèi)，墻體壓力上升至最大值5.7 MPa，在滯后50m范圍內(nèi)壓力降為3MPa。該壓力曲線在滯后10～50m出現(xiàn)一次明顯動壓，即滯后工作面40m處，為周期來壓所致。滯后工作面50m后壓力減少，這是由于頂板大面積垮落后，采空區(qū)矸石充實采空區(qū)，導致壓力減少。

2.3 墻體錨栓壓力分析

圖3 一號測站錨栓應力變化

1#墻體錨栓壓力分析如圖3。在滯后30m的范圍內(nèi)，錨栓壓力上升至最大值3.5MPa(14.03kN)，在滯后30～200m范圍內(nèi)出現(xiàn)周期性變化，在滯后200～300m范圍內(nèi)下降至1MPa（4.008kN），此后穩(wěn)定。通過墻體錨栓受力規(guī)律可以看出，緊跟工作面有一次較明顯的周期來壓和一次周期充分垮落。周期充分循環(huán)200m左右，達到一個完整的周期垮落循環(huán)以后，采空區(qū)被垮塌的矸石充滿，之后留巷壓力逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。

2#墻體錨栓壓力分析如圖4。在滯后10～40m的范圍內(nèi)，錨栓壓力上升至3.0MPa，在滯后40～120m趨于穩(wěn)定，在滯后120～140m范圍內(nèi)上升至3MPa，140～150m 穩(wěn)定在 1MPa(4.008kN)，140～180m 增加至3MPa，滯后200m后穩(wěn)定在3MPa(12.02kN)。通過墻體錨栓受力規(guī)律可以看出，緊跟工作面有兩次較明顯的周期來壓和一次周期充分垮落。周期來壓步距40m左右，周期充分循環(huán)180m左右。達到一個完整的周期垮落循環(huán)以后，采空區(qū)被垮塌的矸石充滿，壓力趨于穩(wěn)定。

圖4 二號測站錨栓應力變化

圖5 三號測站錨栓應力變化

3#墻體錨栓壓力分析如圖5。在滯后10～35m的范圍內(nèi)，錨栓壓力上升至15MPa（60.12kN），在滯后35～70m緩慢升至20MPa(80.16kN)，在滯后70～80m范圍內(nèi)上升至25MPa(100.2kN)，隨后緩慢升至最大值28.6MPa(114.6kN)。通過墻體錨栓受力規(guī)律可以看出，緊跟工作面有兩次較明顯的周期來壓，周期來壓步距40m左右，一次出現(xiàn)在0～40m范圍內(nèi)，第二次出現(xiàn)在80m左右。此測站錨栓受力均比前兩組大得多，這是由于該測站位于工作面見方處，頂板大面積垮落，壓力顯現(xiàn)劇烈。

3 結(jié)論

通過對3G02軌道順槽沿空留巷施工期間和留巷完成后的墻體壓力系統(tǒng)和錨栓壓力的分析，得出沿空留巷柔?；炷翂w的變形規(guī)律如下：

（1）留巷期間，巷道變形以頂?shù)装逡平繛橹鳎饕憩F(xiàn)為靠柔?；炷翂w側(cè)的剪切變形。

（2）整體上柔?；炷翂w支護強度可以滿足要求，局部范圍有破壞，特別是見方來壓區(qū)域，破壞較為嚴重。

（3）留巷完成后，巷道壓力主要表現(xiàn)為底鼓，柔?；炷翂w下方整體向巷道內(nèi)偏移，造成擠壓力，導致巷道底鼓。

（4）鑒于3G02軌道順槽柔?；炷翂w剪切頂部煤巖體的現(xiàn)象，需變更掘巷支護參數(shù)。頂板錨桿應選用Φ22×2400mm高強錨桿，錨索更改為Φ21.8×8400mm的錨索，配合WD180/3.0W型鋼帶。