巷旁充填沿空留巷技術(shù)在綜放工作面的應(yīng)用研究

王 龍

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦，山西 晉城 048000）

綜采放頂煤沿空留巷由于采高較大且需要經(jīng)歷2 次采動高應(yīng)力作用[1-3]，巷道圍巖應(yīng)力集中系數(shù)高，圍巖采動損傷嚴(yán)重，松動區(qū)和塑性強(qiáng)化區(qū)范圍明顯增大，巷道極易破壞失穩(wěn)，造成較大的安全隱患和維護(hù)成本。晉煤集團(tuán)成莊礦一直在進(jìn)行沿空留巷技術(shù)探索，但隨著礦井現(xiàn)代化、機(jī)械化、生產(chǎn)集約程度的提高，設(shè)備功率尺寸的加大，回采巷道斷面要求也越來越高。受兩次采動高應(yīng)力影響，留巷斷面收縮嚴(yán)重，無法滿足通風(fēng)和瓦斯抽采的空間要求，在支護(hù)強(qiáng)度不匹配的情況下甚至?xí)l(fā)生變形失穩(wěn)。留巷圍巖穩(wěn)定控制對實(shí)施無煤柱連續(xù)開采以及煤與瓦斯共采的制約變得愈加突出，合理解決復(fù)雜頂板條件下綜放沿空留巷空間維護(hù)難題，是解決煤、氣綠色開采、緩解現(xiàn)場生產(chǎn)迫切需要和技術(shù)實(shí)施難度較大矛盾的關(guān)鍵所在[4-5]。

1 工程概況

4311 工作面是成莊礦的綜放工作面，采高6.3m。工作面通風(fēng)采用“兩進(jìn)一回”的方式，其中43111、43113 巷為工作面主要進(jìn)風(fēng)巷，43112 巷為回風(fēng)巷。為滿足工作面通風(fēng)，并實(shí)現(xiàn)工作面“Y”型通風(fēng)、隔絕采空區(qū)瓦斯的需求，決定在43113 巷實(shí)施沿空留巷工程。

2 巷道支護(hù)方式分析

2.1 巷道原有支護(hù)方式

43113 工作面運(yùn)輸巷高3.2m，寬5m。巷道原來僅為錨網(wǎng)索支護(hù)，局部頂板破碎段用工字鋼梁補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。支護(hù)主要采用直徑為22mm、長2.4m 的高強(qiáng)、延展率較大的錨桿，該錨桿滿足沿空留巷圍巖產(chǎn)生大變形的需求。頂板錨桿桿體左旋無縱筋螺紋鋼筋屈服強(qiáng)度大于500MPa，延伸率達(dá)20%，兩幫采用與頂板相同的錨桿。錨索采用Ф22mm×7400mm的鋼絞線，破斷荷載為337kN。用帶U 形環(huán)的特制梯子梁及金屬網(wǎng)護(hù)頂，型號為BHW-250-3-4500-5的W 型鋼帶以及鐵絲網(wǎng)護(hù)幫。

通過井下觀察，由于巷道斷面及工作面采高較大，開采擾動比較劇烈，造成巷道圍巖破碎，移近量大，出現(xiàn)了一些錨桿托盤不貼幫、支護(hù)失效以及部分網(wǎng)兜現(xiàn)象。原支護(hù)方案難以承擔(dān)沿空留巷劇烈變形的要求。

巷道的底板留有3m 厚的底煤，雖有一定強(qiáng)度，但仍會發(fā)生底鼓大變形。

2.2 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式

根據(jù)4311 工作面的實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，確定對巷內(nèi)頂板和實(shí)體煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。方案為：在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，實(shí)體煤幫與頂板每排分別補(bǔ)打兩根錨索，煤幫錨索采用直徑為22mm、長度為5.3m 的高強(qiáng)錨索，頂板采用直徑為22mm、長度為7.4m 的高強(qiáng)錨索。見圖1。

圖1 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

3 沿空留巷支護(hù)方式

（1）充填點(diǎn)臨時(shí)支護(hù)

由于保障充填區(qū)域頂板的穩(wěn)定性是沿空留巷圍巖控制的關(guān)鍵，因此巷旁支護(hù)施工前，為保持頂板的完整與穩(wěn)定，需要設(shè)計(jì)高阻力措施加強(qiáng)支護(hù)。在工作面端頭支架移動后，采取單體液壓支柱配鉸接頂梁對裸露頂板實(shí)施支護(hù)，單體柱間排距均為500mm。在吊掛充填袋時(shí)，逐步撤掉充填區(qū)內(nèi)的單體支柱，留出空間吊掛充填袋。

（2）工作面后方加強(qiáng)支護(hù)

工作面后方的支護(hù)方式主要為單體柱支護(hù)，即在后方150m 范圍內(nèi)使用單體液壓支柱配合鉸接頂梁在巷道內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)，單體柱的間排距均為1.0m，巷道內(nèi)設(shè)計(jì)為每排三根單體支柱。

（3）充填區(qū)域頂板維護(hù)

沿空留巷工藝中，保障充填體上部頂板穩(wěn)定是關(guān)鍵，如果巷道頂板穩(wěn)定性差，極易發(fā)生冒頂?shù)仁鹿剩璧K充填工作的順利進(jìn)行。為了保障充填工作的順利開展，根據(jù)成莊礦4311 工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，為緩解頂板回轉(zhuǎn)下沉，防止頂板在充填材料凝結(jié)固化期間對巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)造成的壓破壞，應(yīng)該對需要充填區(qū)域的頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支撐，具體支護(hù)方案見圖2。

圖2 充填區(qū)域頂板支護(hù)布置

（4）充填體參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，充填體強(qiáng)度無法阻止前期直接頂?shù)男D(zhuǎn)下沉，故采用分層充填承載機(jī)制，充分發(fā)揮墻體的“讓-抗”協(xié)調(diào)承載性能。其次，垮落破碎的直接頂無法完全填充采空區(qū)，按照切頂型設(shè)計(jì)支護(hù)方式，割斷基本頂需要的支護(hù)阻力為5.04MPa。故而，封閉袋式充填所需的高水材料采用1.5:1 的水灰比。該水灰比條件下，實(shí)驗(yàn)室測得充填體凝結(jié)1d 后強(qiáng)度為5.5MPa，3d 強(qiáng)度7.5MPa，7d 強(qiáng)度9.2MPa，可以滿足切頂所需強(qiáng)度。

充填速率依據(jù)工作面的推進(jìn)速率， 1d充填一次，充填長度為3.2m，充填體尺寸寬×高=2m×3m。由于充填體基體為水泥漿料，該材料的抗壓強(qiáng)度大，抗拉強(qiáng)度以及抗變形能力較差，因此，為增大充填體的穩(wěn)定性和抗變形能力，設(shè)計(jì)在充填體內(nèi)提前預(yù)制部分預(yù)應(yīng)力承載裝置。如圖3 所示。

圖3 充填墻體加固示意圖

4 留巷礦壓觀測效果分析

4.1 充填體變形

巷旁充填墻體變形是其與圍巖彼此作用相關(guān)性的體現(xiàn)，墻體自身要?dú)v經(jīng)兩次強(qiáng)采動影響，為保證在下區(qū)段工作面回采時(shí)能夠正常使用，首次開采擾動的穩(wěn)定性尤為重要。留巷期間，通過對充填體進(jìn)行變形量監(jiān)測，得出其變形量特征如圖4 所示。

圖4 充填墻體變形特征

由圖4 可知，充填體發(fā)生變形的速率兩次達(dá)到最大，表明在留巷期間，基本頂沿充填體外又一次發(fā)生破斷，形成砌體梁結(jié)構(gòu)后，圍巖快速趨于不變。充填體變形過程可分成4 個(gè)階段。

第1 階段：在距離0～25m 區(qū)域內(nèi)，充填體構(gòu)筑沒有承受較大的負(fù)荷，但由于充填體自身具有較大的強(qiáng)度，導(dǎo)致其變形量較小。

第2 階 段：25～110m 范 圍 內(nèi)，工 作 面 頂 板活動劇烈，該范圍內(nèi)充填體的形變占其全過程的84.7%。在基本頂結(jié)構(gòu)發(fā)生兩次破斷的過程中，充填體遭受的負(fù)荷增加，變形劇烈，在此階段內(nèi)其變形速度有兩個(gè)最大值，該階段充填體的壓縮量是留巷穩(wěn)定后總變形量的最大組成部分。

第3 階段：110～155m，應(yīng)力遠(yuǎn)離工作面后方之后，圍巖采動損傷嚴(yán)重，基本處于運(yùn)動終止?fàn)顟B(tài)。充填體與頂板的相互作用已基本近似穩(wěn)定，充填體的縱向變形速度趨近于零，變形量還會增加，但增幅明顯低于上一階段。

第4 階段：155m 以后充填體的形變速率逐漸緩慢趨于不變，形變速率為0～0.3mm/d，充填體的最大變形量為289.5mm，墻體的壓縮率為7.3%，未到達(dá)巷旁充填體抗壓強(qiáng)度，滿足二次回采的需要。

4.2 留巷圍巖變形

由于圍巖與充填墻體存在支護(hù)與被支護(hù)的關(guān)系，兩者是互相制約協(xié)調(diào)運(yùn)動的，其變形規(guī)律基本相似，圍巖變形特征見圖5。

圖5 頂?shù)装遄冃翁卣?/p>

（1）留巷巷道兩幫，主要是實(shí)體煤幫發(fā)生變形。留巷穩(wěn)定后，兩幫移近量最大661mm，其中實(shí)體煤幫變形達(dá)486.5mm，占巷道兩幫變形總量的73.6%。巷道圍巖變形基本不變后，實(shí)煤體側(cè)頂板的下沉量為291.2mm，充填體側(cè)頂板下沉量略大，達(dá)到了335.9mm。

（2）與充填體變形速率比較，基本頂在第1次發(fā)生破斷時(shí)，實(shí)體煤幫的承載性能良好。而基本頂?shù)? 次發(fā)生破斷時(shí)，實(shí)煤體幫的承載性能大大減小，留巷巷道的變形速率急劇增長，最大值為37.5 mm/d，遠(yuǎn)高于充填體的變形速率。

4.3 沿空留巷維護(hù)狀況

從現(xiàn)場維修情況可知，充填墻體的澆筑效果良好，預(yù)應(yīng)力承載裝置施工完備，充填墻體有效接頂，提供了較高的承載能力。雖然觀察留巷巷道有較明顯的底鼓量，但巷道仍整體穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目的，工作面順利推進(jìn)。

綜上，巷內(nèi)基本支護(hù)（高強(qiáng)錨桿、索聯(lián)合支護(hù)）與加強(qiáng)支護(hù)（單體柱配合鉸接頂梁），配合新型高水材料充填體及其預(yù)應(yīng)力承載加固結(jié)構(gòu)，有效維護(hù)了沿空留巷作業(yè)空間，使留巷圍巖得到有效控制，留巷巷道變形量在工程允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

（1）使用高強(qiáng)度錨桿、索支護(hù)增大巷道支護(hù)強(qiáng)度，單體液壓支柱配套鉸接頂梁，同時(shí)配合高水材料充填墻體有效提供了沿空留巷合理的支護(hù)強(qiáng)度。

（2）結(jié)合成莊礦4311 綜采放頂煤高水材料巷旁充填沿空留巷礦壓觀測結(jié)果，將采動留巷階段充填墻體變形分為四個(gè)變形階段，巷道圍巖變形以底鼓與實(shí)體煤幫變形為主，頂?shù)装迮c兩幫最大變形量分別為580mm 和600mm。

（3）高水材料充填墻體有效地控制了留巷頂板活動，留巷空間穩(wěn)定，巷道變形量小，能夠滿足生產(chǎn)需求，為其他復(fù)雜頂板條件下綜采放頂煤沿空留巷穩(wěn)定控制技術(shù)的推廣提供了一定的理論指導(dǎo)。