綜放工作面沿空留巷頂板下沉因素研究與控制技術(shù)

廉佳斌

（山西高平科興南陽(yáng)煤業(yè)有限公司，山西 晉城 046700）

綜放沿空留巷是沿著采空區(qū)邊緣將上區(qū)段回采巷道保留下來供相鄰工作面開采使用[1-2]，具有提高資源采出率、減少巷道掘進(jìn)量、改善工作面通風(fēng)條件等優(yōu)點(diǎn)[3]。然而沿空留巷雖處于應(yīng)力降低區(qū)，但巷道受多次采動(dòng)影響，巷道頂板易產(chǎn)生大變形。本文以南陽(yáng)煤礦3207 工作面沿空留巷為工程背景，對(duì)巷旁支護(hù)體側(cè)頂板下沉影響較大的幾個(gè)因素進(jìn)行分析，以此為基礎(chǔ)提出相應(yīng)的控制對(duì)策，并進(jìn)行了工程應(yīng)用。

1 工程概況

南陽(yáng)煤礦開采的3#煤層平均埋深300 m，平均厚度5.31 m，煤層傾角5°，為近水平煤層。煤層直接頂為3.28 m 厚的細(xì)粒砂巖，基本頂為6.11 m厚的粗粒砂巖，直接底為2.67 m 厚的細(xì)粒砂巖，基本底為3.55 m 厚的粉砂巖。3207 回風(fēng)巷為3026 進(jìn)風(fēng)巷采后進(jìn)行的沿空留巷。3207 工作面傾向長(zhǎng)度為180 m，走向長(zhǎng)度為1868 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，工作面兩端各有3 架支架不放煤，采用全部垮落法處理采空區(qū)。

3207 回風(fēng)巷為矩形斷面，巷道寬5 m，高為3 m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式。頂錨桿直徑22 mm，長(zhǎng)度為2.5 m，每排布設(shè)6 根，間排距0.9 m×0.9 m。錨索直徑22 mm，長(zhǎng)度為7 m，錨索采用三花布置方式。一排有兩根錨索時(shí)，則在距離兩幫角0.7 m處各打1 根錨索，一排有1 根錨索時(shí)，則在巷道頂板中部打1 根。錨索的排距為1.8 m。煤幫錨桿直徑為20 mm，長(zhǎng)度為2.4 m，每排布設(shè)3 根，間排距為0.9 m×0.9 m。巷旁充填選用CHCT 膏體混凝土，充填寬度為2 m，高度為3 m。3207 回風(fēng)巷巷旁支護(hù)體側(cè)頂板下沉較大。

2 頂板下沉影響因素分析

影響綜放沿空留巷頂板下沉因素較多，本文將從影響頂板下沉較大的4 個(gè)因素進(jìn)行分析，分別為巷內(nèi)支護(hù)阻力、巷旁支護(hù)體彈性模量、巷旁支護(hù)體寬度和巷道寬度。將4 個(gè)因素各選取一個(gè)取值范圍，為便于計(jì)算分析，采取單一影響因素?cái)?shù)值變化，其它因素保持不變。采用公式（1）計(jì)算[4]頂板下沉量：

式中：θ 為關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)角，（°）；Em為煤體有效彈性模量，GPa；Ez為直接頂有效彈性模量，GPa；Ec為巷旁支護(hù)體有效彈性模量，GPa；h1為直接頂厚度，m；h2為頂煤厚度，m；M 為采高，m；△d 為巷旁支護(hù)體側(cè)下沉量，mm；d 為直接頂寬度，m；c 為巷道寬度，m；γz為直接頂容重，kN/m3；γm為頂煤容重，kN/m3；q0為基本頂給定載荷，MPa；α 為煤層傾角，°；fh為巷內(nèi)支護(hù)阻力，MPa。

根 據(jù) 現(xiàn) 場(chǎng) 觀 測(cè) 可 得，θ 為7 °，Em為13 GPa，Ez為25 GPa，Ec為7 GPa，h1為3.28 m，h2為2.31 m，M 為3 m，d 為2.0 m，c 為5.0 m，γz為25 kN/m3，γm為15 kN/m3，q0為0.6 MPa，α為5°，fh為0.25 MPa。

（1）巷內(nèi)支護(hù)阻力

巷內(nèi)支護(hù)阻力fh實(shí)測(cè)值為0.25 MPa，變化范圍取值0.04～0.8 MPa，其它數(shù)值與礦上提供數(shù)值相同，代入公式（1）中，采用Matlab 進(jìn)行計(jì)算，并將數(shù)值進(jìn)行線性擬合，如圖1 所示。

由圖1 可知，巷內(nèi)支護(hù)阻力與頂板下沉量顯著性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.99，頂板下沉量隨著巷內(nèi)支護(hù)阻力增大而減小。當(dāng)巷內(nèi)支護(hù)阻力為0.04 MPa時(shí)，頂板下沉量485 mm，當(dāng)巷內(nèi)支護(hù)阻力0.8 MPa時(shí)，頂板下沉量為372 mm，則頂板下沉變化量為113 mm，頂板下沉變化量較小。因此，為減少頂板下沉量，需在增加巷內(nèi)支護(hù)阻力的同時(shí)加強(qiáng)巷旁支護(hù)。

（2）巷旁支護(hù)體有效彈性模量

巷旁支護(hù)體有效彈性模量Ec實(shí)測(cè)值為7 GPa，變化范圍取值0.03～30 GPa，其它數(shù)值與礦上提供數(shù)值相同，代入公式（1）中，采用Matlab 進(jìn)行計(jì)算，并將數(shù)值進(jìn)行二次方擬合，如圖2 所示。

圖1 巷內(nèi)支護(hù)阻力與頂板下沉關(guān)系

圖2 有效彈性模量與頂板下沉關(guān)系

由2 可知，巷旁支護(hù)體有效彈性模量與頂板下沉量顯著性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.99，頂板下沉量隨著巷旁支護(hù)體有效彈性模量的增大而減小。當(dāng)巷旁支護(hù)體有效彈性模量為0.05 GPa 時(shí)，頂板下沉量最大為545 mm，當(dāng)巷旁支護(hù)體有效彈性模量為30 GPa 時(shí)，頂板下沉量最小為331 mm，則頂板下沉變化量為214 mm。因此，可提高巷旁支護(hù)體有效彈性模量來減小頂板下沉量。

（3）巷旁支護(hù)體寬度與巷道寬度

巷旁支護(hù)體寬度d 為2 m，變化范圍1～4.5 m，其它數(shù)值與礦上提供數(shù)值相同；巷道寬度c 為5 m，變化范圍取值1～5 m，其它數(shù)值與礦上提供數(shù)值相同。分別代入公式（1）中，采用Matlab 進(jìn)行計(jì)算，并將數(shù)值進(jìn)行二次方擬合，如圖3 所示。

如圖3 所示，巷旁支護(hù)體寬度、巷道寬度與頂板下沉量顯著性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均大于0.99，頂板下沉量隨著巷旁支護(hù)體寬度增大而減小。當(dāng)巷旁支護(hù)體寬度為1 m 時(shí)，頂板下沉量最大為598 mm，當(dāng)巷旁支護(hù)體寬度為4.5 m 時(shí)，頂板下沉量最小為285 mm，則頂板下沉量變化較大，為313 mm。擬合曲線在巷旁支護(hù)體寬度為1～3 m 時(shí)，頂板下沉量變化較大，在3～4.5 m，頂板下沉量雖有減少，但趨于緩慢。頂板下沉量隨著巷道寬度的增大而增大，當(dāng)巷道寬度為1 m 時(shí)，頂板下沉量為392 mm，當(dāng)巷道寬度為5 m 時(shí)，頂板下沉量為494 mm，則頂板下沉變化量為102 mm，可以通過減小巷道寬度減少巷道下沉量。

圖3 寬度與頂板下沉關(guān)系

通過比較各因素頂板下沉變化量大小可知，巷旁支護(hù)體寬度為主要影響因素，其余各因素排序依次為巷旁支護(hù)體有效彈性模量、巷內(nèi)支護(hù)阻力和巷道寬度。

3 控制對(duì)策

根據(jù)對(duì)不同影響因素分析結(jié)果，提出采用“錨網(wǎng)索+高水充填材料”控制方案：

（1）為了提高巷內(nèi)支護(hù)阻力，減少圍巖破碎，采用加強(qiáng)長(zhǎng)短錨索和鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方案。

（2）為了提高巷旁支護(hù)體有效彈性模量，采用高水充填材料進(jìn)行充填。

（3）為了增加巷旁支護(hù)體寬度和減小巷道寬度，可將巷旁支護(hù)體寬度由2 m 增加到3 m，巷道寬度由5 m 減少至4 m，即巷道寬度減少的1 m 進(jìn)行了巷旁充填。

4 工程應(yīng)用

針對(duì)控制對(duì)策，本節(jié)將實(shí)施具體的支護(hù)方案。將原巷道寬、高為5 m×3 m，改進(jìn)為巷道寬、高為4 m×3 m，巷道支護(hù)參數(shù)在原有基礎(chǔ)上在頂板增加長(zhǎng)錨索和加強(qiáng)短錨索。巷道布置平面圖、俯視圖如圖4、圖5 所示，支護(hù)參數(shù)具體如下：

（1）將原有長(zhǎng)錨索采用三花布置現(xiàn)在改為每排4 根布置，錨索直徑為22 mm，長(zhǎng)度為7 m，排距為1.8 m。

（2）加強(qiáng)短錨索直徑為22 mm，長(zhǎng)度為4.0 m，間排距為3.2 m×1.8 m。

（3）巷道頂板和實(shí)體煤幫采用10 號(hào)鋼絲，鋼筋網(wǎng)尺寸為5.4 m×1.2 m，鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格尺寸為80 mm×80 mm。

（4）采用高水充填材料進(jìn)行巷旁充填，充填材料由硫鋁酸鹽水泥熟料為主的A 型材料和以石灰、石膏為主的B 型材料兩種組分組成。材料使用時(shí)按照1.6:1 的水灰比進(jìn)行加水?dāng)嚢瑁捎秒p液泵進(jìn)行泵送，實(shí)現(xiàn)同步輸漿。按照體積比1:1 進(jìn)行混合，兩種組分漿液混合后20～30 min 固化，充填體寬度為1.0 m，高度為采高3.0 m，一次充填長(zhǎng)度為3.5 m。

如圖6 所示，沿空留巷圍巖位移變化規(guī)律基本一致。距離工作面10～30 m 范圍內(nèi)，頂板下沉量急劇增加；距離工作面30～45 m 范圍內(nèi)，頂板下沉量增加緩慢；距離工作面45 m 以后，頂板下沉量基本保持不變。說明距離工作面45 m 處圍巖變形得到較好控制。沿空留巷巷旁支護(hù)體側(cè)頂板最大下沉量為258 mm，巷道中部頂板最大下沉量為241 mm，可較好控制頂板下沉量，保持圍巖穩(wěn)定。

圖4 沿空留巷布置平面圖

圖5 沿空留巷俯視圖

圖6 沿空留巷頂板下沉量

5 結(jié)論

（1）通過比較各因素頂板下沉變化量大小可知，巷旁支護(hù)體寬度為主要影響因素，其余各因素排序依次為巷旁支護(hù)體有效彈性模量。巷內(nèi)支護(hù)阻力和巷道寬度。

（2）采用“錨網(wǎng)索+高水充填材料”控制方案，沿空留巷巷旁支護(hù)體側(cè)頂板最大下沉量258 mm，巷道中部頂板最大下沉量為241 mm，可較好控制頂板下沉量，保持圍巖穩(wěn)定。