高水材料充填沿空留巷應(yīng)力控制與圍巖強化機理及應(yīng)用

柏建彪，張自政，王襄禹，徐 營，閆 帥，徐 軍

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏魯木齊 830023；3.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點實驗室，湖南 湘潭 411201；4.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；5.揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

0 引 言

沿空留巷是沿本工作面采空區(qū)邊緣將回采巷道部分或完全保留下來，實現(xiàn)下工作面復(fù)用的回采巷道布置方式[1-3]。沿空留巷技術(shù)具有降低巷道掘進(jìn)率,緩解采掘接替緊張,提高煤炭采出率，消除多煤層開采煤柱區(qū)域的應(yīng)力集中效應(yīng)，實現(xiàn)工作面Y型通風(fēng)，解決隅角瓦斯積聚，降低工作面溫度，改善作業(yè)環(huán)境等優(yōu)點，是實現(xiàn)無煤柱開采的重要技術(shù)途徑之一[4-6]。20世紀(jì)50年代沿空留巷在我國開始應(yīng)用，目前，我國沿空留巷主要包括充填沿空留巷和切頂沿空留巷(110工法)。其中，20世紀(jì)80年代我國大力推行綜合機械化開采和巷道錨桿支護(hù)技術(shù)后，充填沿空留巷技術(shù)開始得到應(yīng)用與發(fā)展[7-10]。21世紀(jì)10年代后，何滿潮等[11-13]提出雙向聚能張拉爆破切頂卸壓沿空留巷，逐步在部分薄及中厚煤層得到應(yīng)用與發(fā)展，但該方法在采空區(qū)防漏風(fēng)尚存一定瓶頸。

充填沿空留巷的關(guān)鍵是充填體力學(xué)參數(shù)確定和充填材料的優(yōu)選[14-17]。目前，充填沿空留巷由傳統(tǒng)的木垛、煤矸石袋、混凝土砌塊構(gòu)筑巷旁支護(hù)發(fā)展到應(yīng)用較多的高水材料[18-20]、混凝土(柔?；炷羀21-22]、鋼管混凝土[23-25]、普通混凝土[26-27])等充填材料構(gòu)筑巷旁充填體。此外，在工作面充填開采方面，張吉雄教授團(tuán)隊[28-30]開展了矸石巷旁充填沿空留巷試驗。1990年以來，柏建彪教授團(tuán)隊在充填沿空留巷充填材料與機械化(自動化)充填工藝、巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)等方面取得了諸多進(jìn)展[9,14,16,18,31-39]。筆者即在此基礎(chǔ)上對高水材料充填沿空留巷控制理論及技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)。

1 充填沿空留巷圍巖應(yīng)力控制機制

1.1 充填留巷圍巖變形特征

眾多的充填留巷現(xiàn)場實踐與礦壓監(jiān)測結(jié)果[9,14,16,18,31-39]表明，充填留巷圍巖變形可以歸納出以下3個特征：①留巷圍巖變形具有顯著的長時大變形特征。即留巷巷道圍巖需要經(jīng)歷巷道掘進(jìn)(Ⅰ)、工作面超前采動影響(Ⅱ)、留巷圍巖調(diào)整穩(wěn)定(Ⅲ)和鄰近工作面復(fù)用(Ⅳ)等4個階段，留巷圍巖變形跨越時間長，尤其是留巷圍巖調(diào)整階段在上覆頂板巖層運動破斷作用下留巷巷道圍巖呈現(xiàn)劇烈的大變形[40]。②留巷圍巖變形具有明顯的波動特征。留巷圍巖經(jīng)歷上述多個階段的上覆頂板巖層運動活動，圍巖所處應(yīng)力環(huán)境跟覆巖頂板運動形成的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，反映到留巷圍巖變形上呈現(xiàn)出明顯的波動性。③留巷圍巖變形具有明顯的非對稱特征。沿空留巷位于采空區(qū)邊緣，受上覆基本頂側(cè)向破斷影響，在留巷圍巖調(diào)整穩(wěn)定階段，實體煤幫和充填體上方頂板巖層應(yīng)力將出現(xiàn)不均衡分布，進(jìn)而實體煤幫變形和充填體變形出現(xiàn)非對稱特征[34]。無論是哪個階段的留巷圍巖變形，均是圍巖應(yīng)力作用導(dǎo)致留巷圍巖變形的結(jié)果(圖1)。

圖1 充填留巷圍巖變形特征Fig.1 Deformation characteristics of surrounding rock in retained entry with filling

1.2 充填留巷覆巖頂板運動特征

上述分析可以看出，充填留巷圍巖變形主要發(fā)生在工作面超前采動影響和留巷圍巖調(diào)整階段，即留巷圍巖變形受覆巖頂板運動及其形成的動態(tài)結(jié)構(gòu)的制約。隨著工作面的回采和充填體的構(gòu)筑，直接頂隨采隨落，基本頂來壓形成“O-X”破斷且在工作面端頭形成弧形三角塊。沿空留巷及充填體均位于三角塊下方，弧形三角塊的運動破斷特征對留巷圍巖穩(wěn)定起到控制作用[40]。目前，針對充填留巷基本頂運動破斷存在3類觀點：①基本頂破斷規(guī)律不受留巷充填體的影響，主要以孫恒虎等[4]研究成果為代表；② 基本頂首先在采空區(qū)一側(cè)發(fā)生第1次破斷，后在實體煤幫一側(cè)發(fā)生第2次破斷，主要以李化敏、華心祝等[41-42]學(xué)者研究成果為代表；③基本頂首先在實體煤幫一側(cè)發(fā)生第1次破斷，后在采空區(qū)充填體一側(cè)發(fā)生第2次破斷，主要以本團(tuán)隊研究成果為代表[31-40]。

基本頂三角塊第1次破斷：位于實體煤幫上方。隨著工作面的回采和充填體的構(gòu)筑，直接頂隨采隨落，基本頂來壓形成“O-X”破斷且在工作面端頭形成弧形三角塊；構(gòu)筑初期的充填體支護(hù)阻力較小，當(dāng)弧形三角塊達(dá)到極限跨度時，基本頂三角塊在實體煤幫一側(cè)發(fā)生第1次破斷，如圖2a所示。

基本頂三角塊第2次破斷：位于采空區(qū)充填體一側(cè)上方。隨著工作面的繼續(xù)回采和充填體構(gòu)筑，當(dāng)充填體達(dá)到一定承載能力時，三角塊B在充填體外側(cè)達(dá)到極限抗拉強度，基本頂三角塊在充填體一側(cè)發(fā)生第2次破斷，如圖2b所示?？梢?，基本頂?shù)?次破斷取決于三角塊B在采空區(qū)側(cè)的懸頂長度，三角塊B及其上方軟弱巖層的重量，三角塊B下方冒落矸石的充填程度，塊體C對三角塊B的作用力和充填體的支護(hù)阻力這5個因素共同決定。

圖2 充填留巷覆巖頂板運動特征Fig.2 Movement characteristics of overlying strata in retained entry with filling

1.3 充填留巷圍巖應(yīng)力控制機制

充填留巷覆巖基本頂?shù)男D(zhuǎn)下沉是留巷所受外力的主要來源。根據(jù)青龍同昌煤礦15102工作面沿空留巷的現(xiàn)場試驗條件，采用數(shù)值分析軟件FLAC3D，建立相應(yīng)的數(shù)值計算模型。數(shù)值模型長×高×寬=186 m×100.4 m×360 m，模擬15102工作面長120 m，充填體寬2.0 m，15102工作面軌道巷留巷后寬4.0 m，實體煤寬60 m，如圖3所示。

圖3 數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

模型計算中采空區(qū)采用雙屈服應(yīng)變硬化模型，模擬用參數(shù)見表1和表2。充填體采用應(yīng)變軟化模型，模擬用參數(shù)詳見參考文獻(xiàn)[43]。其他巖層材料采用Mohr-Coulomb模型，物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表1 雙屈服模型中的采空區(qū)材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Table 1 Stress-strain relationship of goaf material in double yield model

表2 FLAC3D中采空區(qū)材料主要力學(xué)參數(shù)Table 2 Main mechanical parameters of goaf materials with FLAC3D

表3 模擬巖層力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters for numerical model

15102工作面軌道巷沿空留巷期間圍巖應(yīng)力分布主要可以分為3個階段：①工作面超前采動支承應(yīng)力作用區(qū)(工作面前方0～20 m)；②工作面后方留巷圍巖調(diào)整滯后支承應(yīng)力作用階段(工作面后方0～110 m)；③沿空留巷圍巖變形穩(wěn)定階段(工作面后方110 m以后)。留巷過程中圍巖的應(yīng)力變化如圖4所示。

由圖4可知，15102工作面軌道巷留巷期間圍巖應(yīng)力有以下分布規(guī)律：

圖4 留巷過程中圍巖應(yīng)力變化Fig.4 Stress variation of surrounding rock during roadway retention

1)在15102工作面回采超前支承壓力的影響下，15102工作面軌道巷工作面前方14 m處為支承壓力峰值點，達(dá)到11.7 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.25。充填體應(yīng)力在工作面后方5 m時，應(yīng)力為4.5 MPa，在工作面后方50 m時為5.3 MPa，在后方70 m以后為5.5 MPa，上覆巖層活動穩(wěn)定后，充填體應(yīng)力不再發(fā)生變化，并與實體煤幫、巷內(nèi)支護(hù)共同維護(hù)上覆巖層的平衡。

2)隨著充填體構(gòu)筑，留巷巷道頂板上方峰值垂直應(yīng)力基本上出現(xiàn)在基本頂巖層與更上位巖層交界處，在工作面后方0～50 m增長較快(4.92 MPa 增加到9.05 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)從1增加到1.85)；留巷巷道上方直接頂均處于應(yīng)力降低區(qū)，且拉應(yīng)力作用高度隨著留巷基本頂巖層旋轉(zhuǎn)逐漸增大；充填體上方直接頂均處于應(yīng)力降低區(qū)，且應(yīng)力降低區(qū)高度隨著留巷基本頂巖層旋轉(zhuǎn)逐漸增大。

3)隨著上覆巖層垮落，留巷巷道實體煤幫的垂直應(yīng)力在工作面后方0～50 m增長較快(9.64 MPa增加到14.15 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)從1.85增加到2.72)，實體煤幫垂直應(yīng)力峰值位置由距巷道表面10 m處逐漸轉(zhuǎn)移至距巷道表面13.2 m處。工作面后方110 m以后實體煤幫峰值垂直應(yīng)力穩(wěn)定在16.35 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.14，峰值垂直應(yīng)力距巷道表面13.2 m左右；隨著滯后工作面距離增大，留巷巷道實體煤幫與頂板肩角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中范圍逐漸增大。

因此，從留巷圍巖應(yīng)力來源和應(yīng)力控制思想出發(fā)，一方面在留巷圍巖調(diào)整穩(wěn)定(III)階段，通過應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)等方法避免采空區(qū)側(cè)基本頂巖層長期懸頂，即通過減小三角塊B在采空區(qū)側(cè)的懸頂長度降低留巷圍巖受力；另一方面，通過圍巖強化技術(shù)等方法延緩基本頂巖層在實體煤幫上方破斷，即通過整體強化實體煤幫承載支撐能力向煤幫深部轉(zhuǎn)移高集中應(yīng)力。

2 高水材料充填沿空留巷圍巖強化機理

2.1 高水材料力學(xué)特性

高水材料是一種能在高水灰比(質(zhì)量比)條件(1.3∶1～3∶1)下快速凝結(jié)的特種水泥，是中國礦業(yè)大學(xué)承擔(dān)的國家“七五”“八五”重點科技攻關(guān)項目的研究成果，分甲料、乙料2部分，按質(zhì)量比1∶1的比例配合使用。甲料、乙料單獨與水混合24 h不凝結(jié)，而甲料漿和乙料漿一旦相互混合則快速凝結(jié)硬化。與一般的水泥類材料相比，高水材料具有以下主要特征：①高水灰比條件下結(jié)石率100%；②凝結(jié)時間短，早期強度高并可調(diào)；③塑性好，凝結(jié)體單軸加壓應(yīng)變達(dá)0.15時，其殘余強度還能維持在峰值強度的50%以上。圖5為不同水灰比條件下28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后高水材料固結(jié)體單軸抗壓強度曲線和水灰比1.5∶1條件下7 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后高水材料固結(jié)體單軸抗壓強度曲線。可見，高水材料充填體呈現(xiàn)明顯的塑性變形特征，強度衰減比較緩慢，可以維持較高的殘余強度。

圖5 高水材料力學(xué)特性Fig.5 Mechanical properties of high water materials

2.2 高水材料充填沿空留巷圍巖分時分區(qū)強化機理

圖6是留巷期間15102工作面軌道巷圍巖塑性區(qū)演化分布。

由圖6可知，15102工作面軌道巷留巷期間圍巖塑性區(qū)有以下分布規(guī)律：

圖6 留巷過程中圍巖塑性區(qū)分布Fig.6 Plastic zone distribution of surrounding rock during roadway retention

1)在超前支承壓力的影響下，實體煤幫(巷道右側(cè))及工作面采煤幫(巷道左側(cè))破壞深度分別達(dá)到了11.5 m和7 m，破壞類型主要為剪切破壞，巷道底板淺部和巷道上方直接頂以拉剪混合破壞為主。

2)在充填體構(gòu)筑后，圍巖產(chǎn)生大范圍的剪切破壞，滯后工作面90 m時實體煤幫的剪切破壞深度達(dá)13 m，頂板的破壞深度達(dá)3 m，且充填體發(fā)生強烈的剪切破壞?？梢钥闯?，充填體處于峰后塑性承載狀態(tài)。

因此，15102工作面軌道巷高水充填沿空留巷頂板存在3個穩(wěn)定性較差的區(qū)域，如圖7所示，為留巷圍巖控制的薄弱環(huán)節(jié)：①充填體上方頂板離層區(qū)。受充填體切頂阻力作用和采空區(qū)上覆巖層載荷作用，頂板垮落出現(xiàn)離層，充填區(qū)域頂板的穩(wěn)定同時影響覆巖載荷和充填體支護(hù)阻力的傳遞。②留巷上方頂板拉破壞區(qū)。在沿空留巷頂板深部存在一個傾斜的拉破壞區(qū)，拉破壞方式是一種極易誘發(fā)圍巖失穩(wěn)的破壞方式，且在此區(qū)域，頂板下沉量和水平位移大，當(dāng)支護(hù)系統(tǒng)不能有效地減小甚至消除此區(qū)域的拉應(yīng)力時，頂板極易在頂板離層和變形而形成的張拉應(yīng)力作用下失穩(wěn)。③實體煤上方剪切破壞區(qū)。當(dāng)圍巖發(fā)生剪切破壞后即由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，圍巖應(yīng)力集中且主應(yīng)力差較大，在頂板巖層應(yīng)力調(diào)整、巖層運動和巷道實體煤幫承載的共同作用下，在煤柱幫肩角上方存在一個剪切破壞區(qū)。

圖7 高水充填留巷圍巖分區(qū)特征Fig.7 Surrounding rock zoning characteristics of retained entry with high water materials

因此，從留巷圍巖分區(qū)特征和圍巖強化的思想出發(fā)，高水充填留巷圍巖分時分區(qū)強化機制有以下3方面：

1)針對充填體上方頂板離層區(qū)，在工作面液壓支架移架前(階段II)采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)形成的有效壓應(yīng)力區(qū)，控制其剪切破壞和離層；同時，移架后(階段III前期)充填區(qū)域架設(shè)高剛度臨時支護(hù)延緩該區(qū)域頂板下沉。

2)針對留巷上方頂板拉破壞區(qū)，掘進(jìn)時期(階段I)采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，在淺部頂板形成有效壓應(yīng)力區(qū)，減小巷道頂板拉破壞范圍和深度；針對留巷上方頂板離層區(qū)，掘進(jìn)時期(階段I)采用高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，提高直接頂與基本頂層間結(jié)合力和抗彎剛度。

3)針對實體煤上方剪切破壞區(qū)，提高實體煤幫承載性能，即提高實體煤幫支護(hù)強度，限制煤幫深部煤體位移，可以在實體煤幫(非采煤幫)通過短錨索進(jìn)行加強支護(hù)提高實體煤幫整體支護(hù)強度和承載能力。

3 高水材料充填沿空留巷圍巖控制關(guān)鍵參數(shù)

高水材料充填沿空留巷圍巖控制關(guān)鍵參數(shù)主要包括充填體支護(hù)阻力(充填體寬度和強度)、頂板支護(hù)強度(巷內(nèi)支護(hù)和臨時支護(hù))、實體煤幫支護(hù)強度。

3.1 充填體支護(hù)阻力(充填體寬度和強度)

已有工程實踐和研究表明充填體在留巷階段Ⅲ前期快速增阻及時支撐直接頂并延緩該區(qū)域頂板離層和淺部裂隙向深部發(fā)育，在留巷階段Ⅲ達(dá)到設(shè)計支護(hù)阻力后切斷上方一定高度頂板(通常為基本頂)后同時支撐直接頂和基本頂。因此，確定合理的充填體支護(hù)阻力對于沿空留巷成功實施尤為重要。

目前常見的充填體支護(hù)阻力理論計算方法有英國學(xué)者SMART[44]基于傾斜巖梁理論提出的“分離巖塊法”，孫恒虎等[4]提出在沿空留巷不同階段基于疊加層板彎曲破壞的“頂板載荷條帶分割法”，郭育光和柏建彪等[9,14]提出的基于切斷頂板垮落矸石充填效應(yīng)的“分層切頂法”、華心祝等[17]提出的考慮煤幫支撐作用及巷旁錨索加強作用的頂板載荷條帶分割法、陳勇[40]基于弧形三角塊與巷旁充填體相互作用關(guān)系提出的“基本頂二次破斷力學(xué)模型”、李迎富等[45-46]基于基本頂關(guān)鍵三角塊R-S穩(wěn)定判別提出的充填體支護(hù)阻力計算法等。實際上，無論上述哪一種計算方法都表明充填體支護(hù)阻力在沿空留巷圍巖調(diào)整劇烈階段即基本頂沿采空區(qū)一側(cè)發(fā)生破斷時是最大的。以筆者團(tuán)隊常用的基于切斷頂板垮落矸石充填效應(yīng)的“分層切頂法”為例，切斷基本頂巖層所需的充填體支護(hù)阻力Pq可以按照下式計算[14]：

(1)

式中：ΔSC為基本頂被切斷時采空區(qū)端的下沉量，可根據(jù)頂板破斷尺寸關(guān)系計算確定；TC為采空區(qū)垮落矸石對基本頂?shù)乃酵屏Γ沪翞槊簩觾A角；c為留巷寬度；d為充填體寬度；e為基本頂塊體在采空區(qū)側(cè)長度；h為基本頂厚度；L為基本頂周期來壓；ML為基本頂巖層的極限彎矩；q為基本頂及其上部軟弱巖層單位長度的自重；q0為直接頂單位長度自重；ΔS為基本頂垮落前充填體端的下沉量，一般取0.1 m；x0和σy分別為實體煤幫塑性區(qū)寬度和支承壓力，可采用極限平衡理論計算獲取[14]。

3.2 頂板支護(hù)強度(巷內(nèi)支護(hù)和臨時支護(hù))

唐建新[47]、韓昌良[48]、周保精[49]和筆者團(tuán)隊均針對沿空留巷巷內(nèi)區(qū)域或充填區(qū)域頂板離層開展了諸多研究，結(jié)果表明：控制沿空留巷頂板離層變形需要在掘進(jìn)期間或工作面超前采動影響區(qū)域以外首先采用高強度錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，在留巷圍巖調(diào)整期間(階段III)巷內(nèi)采用輔助加強支護(hù)，在留巷充填體構(gòu)筑前后充填區(qū)域采用錨索加強支護(hù)或充填支架臨時支護(hù)。以本項目組研究成果說明，留巷頂板不同位置的離層計算可以參考下式計算[33]。

(2)

3.3 實體煤幫支護(hù)強度

留巷實體煤幫常因過量變形導(dǎo)致錨網(wǎng)索支護(hù)錨固失效而片幫。因此，必須給實體煤幫施加足夠的側(cè)向支護(hù)阻力，抑制淺部煤體松動及松動后的擠出，盡可能地阻止實體煤幫的擴(kuò)容變形，防止錨固體失效，錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)實體煤幫的支護(hù)強度σL可由式(3)來確定[40]。

(3)

式中：σ0為錨固范圍內(nèi)實體煤幫平均載荷；f0為頂?shù)装迮c煤層之間的摩擦因數(shù)；Lm為實體煤幫內(nèi)錨桿(索)最大錨固長度；M為煤層厚度；φr為煤層殘余摩擦角。

4 工程案例

4.1 青龍同昌煤業(yè)沿空留巷

4.1.1工程地質(zhì)條件

青龍同昌煤業(yè)位于山西省高平市三甲鎮(zhèn)姬家山村，主采沁水煤田9號和15號煤層。15號煤層厚度2.41～4.73 m，平均3.5 m，煤層傾角5°～10°，煤層普氏系數(shù)1～2，平均埋深210 m。直接頂板為泥巖或無直接頂板(0～2.8 m)，基本頂為K2、K3灰?guī)r(K2厚6.8～8.6 m、K3厚3.5～5.0 m)，底板為泥巖或含黃鐵礦泥巖，局部為粉砂質(zhì)泥巖，15號煤層煤塵無爆炸性，屬于Ⅱ級自燃煤層，為低瓦斯礦井。15102工作面為15號煤層首采面，位于在9號煤層采空區(qū)下方(垂直距離39 m)，沿煤層走向布置，傾向長度180 m，走向回采長度650 m。15102工作面采用沿空留巷后，調(diào)整為“Y型”通風(fēng)系統(tǒng)，在15102軌道巷進(jìn)行沿空留巷，軌道巷沿煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面4.5 m×3.2 m(寬×高)，留巷斷面4 m×3.2 m(寬×高)，15102工作面軌道巷采用錨網(wǎng)梁+錨索聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如下：

1)頂板錨桿型號為?20 mm -M22-2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 200 mm。煤柱幫錨桿型號為?20 mm -M22-2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距850 mm×1 000 mm。靠近巷幫的底板錨桿與垂直線夾角為10°，其余與巷道幫垂直，錨桿錨固力100 kN?；夭擅?zhèn)?內(nèi))幫采用玻璃鋼錨桿支護(hù)，間排距1 000 mm×1 200 mm。

2)網(wǎng)片采用10號鉛絲編制的菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm；鋼筋梯梁用于軌道巷頂板和側(cè)外幫，采用14號圓鋼焊接而成，寬度60 mm。

3)頂板錨索：采用?17.8 mm×7 300 mm鋼鉸線，錨索間排距為1 800 mm×2 400 mm，錨索預(yù)拉力250 kN。

4.1.2充填體構(gòu)筑與加固

通過計算確定基本頂垮落時所需要的充填體支護(hù)阻力為14.41 MN/m，采用水灰比為1.5∶1.0的高水材料構(gòu)筑充填體，確定充填體寬2 m，其中0.5 m置于巷內(nèi)1.5 m置于采空區(qū)。每天充填一次，充填長度3.6 m，充填體內(nèi)置長度2.2 m直徑22 mm的HRB400螺紋鋼對拉錨桿，間排距為900 mm×800 mm。

為保持充填區(qū)域范圍內(nèi)的頂板完整性，需要進(jìn)行加強支護(hù)。當(dāng)頂板條件好，比較完整，拉架后每排用3根單體液壓支柱臨時支護(hù)，其間排距1 000 mm×800 mm，每排單體液壓支柱距離巷道采煤幫邊緣的距離為0、1 000、2 000 mm；如果頂板有裂隙破碎，在架前鋪網(wǎng)，鋪網(wǎng)面積為15102軌道巷采煤幫邊緣至擋矸支架，拉架后用單體液壓支柱及時支護(hù)頂板；如果鋪網(wǎng)、單體液壓支柱仍然不能控制待充填區(qū)域頂板，則需要在架后補打錨桿，在鋪網(wǎng)、打單體液壓支柱的基礎(chǔ)上架后每排打設(shè)3根?20 mm×2 000 mm的錨桿，每排錨桿距離留巷巷道采煤幫的邊緣為0、1 000、2 000 mm，間排距1 000 mm×800 mm，每排采用規(guī)格為?14 mm鋼筋梯子梁護(hù)頂。

4.1.3巷內(nèi)加強支護(hù)

工作面前方20 m范圍內(nèi)超前支護(hù)采用2排DW38-250/110X型單體液壓柱配合鉸接頂梁。2排單體液壓柱間距1.8 m，距離工作面?zhèn)? m，距離留巷幫1.7 m，柱與柱間距1.2 m。因留巷巷道底板留煤，所有單體液壓支柱必須“穿鞋帶帽”。

工作面后方200 m范圍內(nèi)采用3排單體液壓支柱“穿鞋”支護(hù)頂板，柱距為1 000 mm，距充填體距離分別為1 000、2 000、3 000 mm。

我關(guān)之林是個俗女子，俗不可耐，所以，我愛錢。我這個人就是這樣，很現(xiàn)實。我從來不遮掩自己的目標(biāo)，對金錢的渴望，對豪華闊綽的向往。我夢想床罩被單都是紅晃晃的人民幣拼湊而成的，枕頭里塞的不是棉絮，而是金鏈金耳環(huán)鉆石戒指；我夢想住的是山頂別墅，出門是法拉利，傭人保鏢們對我畢恭畢敬。本姑娘我一高興，纖纖玉指從隨身攜帶的小包里掏出一疊人民幣，眼睛不眨地打賞他們。

4.1.4堅硬頂板深孔預(yù)裂

為避免堅硬頂板沿空留巷時出現(xiàn)頂板動力災(zāi)害，通常需要對頂板采取一定控制措施，常用深孔預(yù)裂聚能爆破。15102工作面軌道巷鉆孔角度與鉛垂線夾角為30°，切縫深度確定為10 m，鉆孔間距500 mm。切縫孔直徑52 mm，鉆孔距離充填體側(cè)200 mm。正向裝藥，每節(jié)聚能管裝入直徑35 mm、長200 mm藥卷8支，每孔裝入4節(jié)聚能管，在每節(jié)聚能管最后一卷藥上安設(shè)好一發(fā)雷管，將腳線引出，然后用炮泥堵好聚能管口，封泥長度3.0 m。

15號煤層工作面留巷效果良好，15號煤留巷效果如圖8所示。圍巖累計變形量中兩幫移近量為321.4 mm，頂?shù)装逡平繛?13.5 mm。其中，頂板下沉量205.2 mm，底鼓408.4 mm，充填體幫移近量100 mm，實體煤幫移近量221.4 mm。

圖8 15號煤高水充填留巷效果Fig.8 In-situ effect of retained entry with high water materials in No.15 coal seam

4.2 趙莊煤業(yè)沿空留巷

4.2.1工程地質(zhì)條件

趙莊煤業(yè)位于山西省高平市，9303工作面可采走向長795 m，工作面面長平均為151 m，工作面循環(huán)進(jìn)度為0.6 m，推進(jìn)速度約為7.2 m/d。開采9號煤層，煤層厚1.34～1.70 m，平均厚1.5 m，傾角一般為5°～10°；9303工作面地質(zhì)條件簡單，為較穩(wěn)定的大部可采煤層，煤質(zhì)中硬，節(jié)理發(fā)育，層理一般。9號煤層為低瓦斯煤層，煤塵無爆炸危險性，煤層自燃傾向性等級為Ⅱ級，屬于自燃煤層。直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度5.30 m；基本頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度11.78 m。直接底多為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.5 m；基本底為石灰?guī)r，平均厚度1.4 m。沿空留巷實施地點為9303工作面回風(fēng)巷，該巷道埋深255～275 m，掘進(jìn)斷面為寬×高=4 700 mm×2 500 mm，沿煤層底板掘進(jìn)。采用錨網(wǎng)梁+錨索聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如下：

1)頂板每排采用5根MSGLW-335/20/2000左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距1 000 mm×1 200 mm，配?6.0 mm冷拔絲鋼筋網(wǎng)支護(hù)，頂錨桿錨固力不小于100 kN；頂板采用?15.24 mm×6 300 mm錨索作補強支護(hù)，三花布置，每排打2根錨索時，間排距為2 400 mm×3 600 mm，錨索垂直頂板打設(shè)，錨索預(yù)緊力不小于200 kN。

2)兩幫每排采用3根MTS235-42/18/2000可回收脹套錨桿，錨桿間排距1 000 mm×1 200 mm，兩幫均采用塑料經(jīng)緯網(wǎng)支護(hù)，幫錨桿錨固力不小于60 kN。

4.2.2充填體構(gòu)筑與加固

割煤后先推刮板輸送機，在端頭4架液壓支架架前鋪設(shè)聚酯纖維網(wǎng)，然后移支架，支架后方打設(shè)2排W20-300/100X臨時單體液壓支柱，柱距900 mm，排距1 000 mm，充填區(qū)域上方頂板每排2根錨桿或1根短錨索間隔打設(shè)(當(dāng)頂板不好維護(hù)時在架前打設(shè))，錨桿型號?20 mm×1 800 mm，錨桿間排距800×1 200 mm，靠巷道側(cè)錨桿距離一次采煤幫300 mm，錨桿外斜10°打設(shè)；錨索型號?17.8 mm×3 300 mm，錨索間距1 200 mm，距離一次采煤幫600 mm，錨索外斜15°打設(shè)。

4.1.3巷內(nèi)加強支護(hù)

超前工作面120 m范圍外頂板采用補打錨索方式進(jìn)行加強支護(hù)，錨索型號?17.8 mm×6 300 mm，每排2根，其中一根位于巷道正中，另一根距離9303回風(fēng)巷一次采煤幫500 mm，間排距1 850 mm×3 600 mm；實體煤幫重新鋪設(shè)10號鉛絲編制的菱形金屬網(wǎng)，采用補打錨桿方式進(jìn)行加強支護(hù)，在原2排錨桿之間補打1排3根?20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 200 mm，上面一根錨桿距頂板200 mm，下面一根錨桿距底板300 mm。

工作面后方100 m范圍內(nèi)采用3排DW28-300/100X單體液壓支柱穿鞋支護(hù)頂板，柱距為1 000 mm，距充填體距離分別為600、1 800和3 600 mm。

9號煤層工作面留巷效果良好，留巷效果如圖9所示。圍巖累計變形量兩幫移近量為110 mm，頂?shù)装逡平繛?35 mm。

圖9 9號煤高水充填留巷效果Fig.9 In-situ effect of retained entry with high water materials in No.9 coal seam

5 結(jié) 論

1)充填體支護(hù)阻力是充填沿空留巷關(guān)鍵參數(shù)之一，選擇具有較強塑性變形特性的高水材料能夠滿足沿空留巷圍巖調(diào)整階段高應(yīng)力作用。

2)應(yīng)力控制和圍巖強化是實現(xiàn)充填留巷圍巖穩(wěn)定的2個重要技術(shù)途徑。降低基本頂及高位厚硬頂板懸頂有利于降低沿空留巷圍巖應(yīng)力，適當(dāng)?shù)姆謺r分區(qū)圍巖強化可以有效提高留巷圍巖整體承載能力和抗變形能力。

3)不同地質(zhì)條件下的高水充填沿空留巷工程實例表明通過設(shè)計合理的充填體支護(hù)阻力、頂板支護(hù)強度和實體煤幫支護(hù)強度，高水充填沿空留巷實施效果良好。

6 展 望

我國煤礦開采呈現(xiàn)復(fù)雜多樣性特征，煤層賦存條件差異性大，不同地域開采技術(shù)水平發(fā)展很不均衡，推廣應(yīng)用高水沿空留巷技術(shù)面臨不同的挑戰(zhàn)。隨著煤礦開采趨于深部開采、智能化開采、綠色化開采，高水材料充填沿空留巷技術(shù)發(fā)展方向主要有以下4方面，以進(jìn)一步擴(kuò)大高水材料充填沿空留巷技術(shù)在無煤柱開采方面的應(yīng)用場景。

1)高水材料力學(xué)改性。加強高水材料摻和物選取設(shè)計，即在不改變高水材料流動特性的基礎(chǔ)上通過添加摻和物提高高水材料固結(jié)體的后期強度以適應(yīng)深井留巷和大采高強礦壓留巷。

2)加強支護(hù)機械化。采用高水材料沿空留巷流程中，目前巷內(nèi)滯后加強支護(hù)和采空區(qū)加強支護(hù)等環(huán)節(jié)還存在較多的人工作業(yè)環(huán)節(jié)，需開發(fā)合適的巷內(nèi)加強支護(hù)支架(避免破壞巷內(nèi)原有的錨網(wǎng)支護(hù)構(gòu)件)和采空區(qū)側(cè)擋矸充填支架。

3)智能化設(shè)計與監(jiān)測。針對不同生產(chǎn)地質(zhì)條件下的高水材料充填沿空留巷，相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計尚未形成信息化、智能化設(shè)計，應(yīng)繼續(xù)深入研究不同條件下高水材料充填留巷關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計的共性基礎(chǔ)理論，為充填參數(shù)和支護(hù)參數(shù)選取設(shè)計提供合理科學(xué)的理論依據(jù)。

4)從全國范圍看，東部礦井埋深較大，深井留巷礦壓顯現(xiàn)強烈、變形大，擴(kuò)修穩(wěn)定性差，留巷復(fù)用困難，尚需進(jìn)一步深入研究高地壓大變形條件下的留巷圍巖穩(wěn)定規(guī)律和配套技術(shù)；西部礦區(qū)煤炭開采條件好，優(yōu)質(zhì)煤種儲量豐富，留設(shè)大煤柱導(dǎo)致資源浪費現(xiàn)象十分普遍，應(yīng)結(jié)合厚煤層、特厚煤層開采技術(shù)和頂煤穩(wěn)定控制技術(shù)研究西部大斷面高效快速沿空留巷技術(shù)，推動無煤柱連續(xù)開采，保障煤炭資源的高采出率。