近距離煤層采空區(qū)下沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究

趙金生

【摘 要】 文章針對近距離煤層采空區(qū)下沿空留巷頂板破碎、圍巖支護(hù)困難的問題，通過對采空區(qū)下沿空留巷圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)和上位煤層開采對底板破壞深度的分析，提出采用高水巷旁充填的沿空留巷方式，實(shí)現(xiàn)了對沿空留巷圍巖變形的有效控制，為工作面安全高效生產(chǎn)提供了保障。

【關(guān)鍵詞】 近距離煤層;沿空留巷;高水材料;圍巖控制

【中圖分類號】 TD353 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）05-0017-02

沿空留巷技術(shù)作為一種無煤柱護(hù)巷技術(shù)，憑借高資源回收率、低巷道掘進(jìn)率、縮短工作面搬家時(shí)間和可緩解采掘接替緊張等優(yōu)勢，在我國的應(yīng)用日益廣泛。近距離煤層是我國煤炭賦存的一種主要形式，近距離煤層下行開采時(shí)，由于煤層間距較小，受上位煤層的采動影響，下位煤層工作面采空區(qū)圍巖極易發(fā)生較大變形，給沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制造成諸多困難。近距離煤層沿空留巷圍巖變形日益成為相關(guān)學(xué)者專家關(guān)注的焦點(diǎn)。本文針對山西某礦5303軌道順槽受上位煤層采動影響，頂板破碎、圍巖支護(hù)困難的問題，通過對上位煤層采空區(qū)下沿空留巷圍巖受力分析，提出采用高水沿空留巷方案，有效維護(hù)了5303軌道順槽圍巖穩(wěn)定。

1工程概況

1.1煤巖層賦存情況

山西某礦4#和5#煤層平均間距為8.24m，為近距離煤層。其中4#煤層已開采完畢，目前主采5#煤層。其中，4#煤層平均埋深164m，均厚3.06m，平均傾角4°;5#煤層均厚2.64m，平均傾角4°。4#和5#煤層均采用全部垮落法管理頂板。4#和5#煤層及其頂?shù)装迩闆r如圖1所示。

1.2工作面概況

5303工作面位于5#煤層三采區(qū)，北鄰5301工作面采空區(qū)，南鄰5305工作面（計(jì)劃開采），西為三采區(qū)運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷，東為實(shí)體煤，5303工作面上方為4#煤層采空區(qū)。為了提高5303工作面煤炭回采率，緩解工作面采掘接替緊張的問題，決定將5301工作面膠帶順槽采用沿空留巷的方式在5303工作面回采時(shí)復(fù)用為5303軌道順槽。5303軌道順槽全長約624m，巷道為矩形斷面（長×寬=4500mm×2200mm），巷道原支護(hù)方式為錨網(wǎng)鎖支護(hù)。5303工作面布置示意圖如圖2所示。

2采空區(qū)下沿空留巷圍巖狀態(tài)分析

2.1采空區(qū)下垂直應(yīng)力分析

近距離煤層下行開采時(shí)，上位煤層被開采完畢且圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后再對下位煤層進(jìn)行開采。但是，上位煤層開采所形成的采空區(qū)內(nèi)堆積有大量垮落矸石，上覆巖層重力直接作用在層間巖層上，為下位煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性和完整性造成不利影響。當(dāng)采用內(nèi)錯式布置沿空留巷時(shí)，沿空巷道位于上位煤層采空區(qū)下方，將采空區(qū)和煤柱支承壓力簡化后，可得到采空區(qū)和煤柱應(yīng)力分布狀態(tài)，具體如圖3所示。

由圖3可知，在煤柱靠近采空區(qū)側(cè)形成一定程度的應(yīng)力集中，在煤柱遠(yuǎn)離采空區(qū)側(cè)為原巖應(yīng)力，而在上位煤層采空區(qū)下方垂直應(yīng)力最小。因此，采用內(nèi)錯式布置沿空留巷，可將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，有利于維護(hù)巷道穩(wěn)定。

2.2上位煤層開采底板破壞深度分析

上位煤層的回采導(dǎo)致支承壓力作用在一定深度范圍內(nèi)的底板巖體中，若支承壓力不小于底板巖體強(qiáng)度時(shí)，會在底板巖體內(nèi)形成塑性變形區(qū)。而若支承壓力值達(dá)到巖體破壞強(qiáng)度時(shí)，塑性變形區(qū)便會形成一個(gè)整體破壞區(qū)，從而導(dǎo)致塑性破壞區(qū)內(nèi)巖體向采空區(qū)側(cè)凸起，此時(shí)底板巖體變?yōu)橐粋€(gè)連續(xù)滑移面。根據(jù)滑移線場理論，可知上位煤層回采對底板的最大破壞深度hmax為：

hmax=e（1）

其中，M為采高，此處取3.06m;K為應(yīng)力集中系數(shù)，取2.0;γ為上覆巖層平均容重，取20kN/m3;H為煤層采深，取164m;C為煤體內(nèi)聚力，取0.6MPa;φ為煤體內(nèi)摩擦角，取16°;φf為底板巖層內(nèi)摩擦角，取35°。將上述參數(shù)帶入式（1）可解得：hmax=3.58m。由于4#和5#煤層間夾有厚度為4.68m的砂質(zhì)泥巖和3.56m的泥巖各一層。因此上位4#煤層回采后，5#煤層尚有一層完整的泥巖層。

3高水巷旁充填沿空留巷方案

3.1高水巷旁充填沿空留巷技術(shù)的確定

為了有效控制5303軌道順槽圍巖變形，綜合考慮5303工作面實(shí)際工程地質(zhì)條件，在巷道原有支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，提出采用高水巷旁充填沿空留巷方式。主要原因如下：

5303軌道順槽埋深較淺，且位于4#煤層采空區(qū)下方卸壓區(qū)，對充填體強(qiáng)度要求較低;

5303工作面直接頂為泥巖，強(qiáng)度較低，易發(fā)生垮落造成巷道維護(hù)困難，因此所用巷旁充填材料需具備較快的增阻速度，以便及時(shí)對頂板進(jìn)行支護(hù);

5303軌道順槽存在長度較大、斷面較小等運(yùn)輸困難，因此需要輔助運(yùn)輸量少、施工工藝簡單的沿空留巷方式;

5303軌道順槽位于4#煤層采空區(qū)下，而4#煤層采空區(qū)內(nèi)極易形成大范圍積氣積水區(qū)域，采用高水材料進(jìn)行巷旁充填可實(shí)現(xiàn)快速接頂，進(jìn)而將采空區(qū)密閉起來，達(dá)到防止積氣積水進(jìn)入到軌道順槽的目的。

3.2高水巷旁充填沿空留巷成型及加固

結(jié)合臨近工作面施工經(jīng)驗(yàn)，5303軌道順槽沿空留巷巷旁充填體選用水灰比為1.5∶1的高水材料。這種水灰比的高水材料凝固后3d的強(qiáng)度達(dá)到8MPa，完全符合要求。另外，為了使高水充填材料漿液在充填時(shí)成型，采用“鋼筋網(wǎng)+充填袋”成型的方法。如圖4所示，鋼筋網(wǎng)和對拉錨桿可有效約束充填體側(cè)向變形，進(jìn)一步加固充填體。對拉錨桿采用直徑22mm的左旋螺紋鋼，間排距為800mm×1000mm。

4工業(yè)性試驗(yàn)

為了掌握近距離煤層高水巷旁充填沿空留巷圍巖變形情況，在5303軌道順槽沿空留巷期間，采用十字布點(diǎn)法在留巷10m處布置首個(gè)測點(diǎn)，隨后每50m布置一個(gè)測點(diǎn)，共布設(shè)10個(gè)測點(diǎn)，對5303軌道順槽表面位移進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明：5303軌道順槽實(shí)體煤側(cè)頂板最大移近量為562mm，充填體側(cè)頂板最大移近量為458mm，兩幫最大移近量為203mm。由此可知，采用高水巷旁充填沿空留巷技術(shù)后，5303軌道順槽表面位移量在允許范圍內(nèi)，滿足工作面安全使用需求。

5結(jié)語

文章分析了近距離煤層下行開采時(shí)采空區(qū)下垂直應(yīng)力分布狀態(tài)和上位煤層開采對底板破壞深度。

結(jié)合5303工作面實(shí)際工程地質(zhì)條件，提出采用高水巷旁充填沿空留巷技術(shù)，并制定了高水巷旁充填沿空留巷成型及加固方案。

現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明：采用高水巷旁充填沿空留巷技術(shù)后，5303軌道順槽實(shí)體煤側(cè)頂板最大移近量為562mm，充填體側(cè)頂板最大移近量為458mm，兩幫最大移近量為203mm均在允許范圍內(nèi)，滿足工作面安全使用需求。

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