深井矸石充填工作面沿空留巷圍巖控制原理與技術(shù)

王 平，曾梓龍，孫廣京，馮 濤，李乃錄，劉金海，李 鵬，江永志

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；3.六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004；4.山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,山東 泰安 271200；5.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 三河 065201)

0 引 言

我國煤炭資源豐富，目前是世界第一采煤大國，但煤炭開采過程中資源損失率較高。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國因留煤柱而造成的煤炭資源損失率為30%～40%[1]。煤炭開采過程留設(shè)大煤柱不僅造成煤炭資源的浪費(fèi)，而且因留煤柱而產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)，給鄰近工作面的開采以及巷道圍巖控制等產(chǎn)生不利的影響[2-4]。沿空留巷技術(shù)是一種無煤柱開采技術(shù)，不僅可以有效提高煤炭采出率，延長礦井服務(wù)年限，而且每個(gè)工作面可以少掘一條巷道，有效緩解采掘接替緊張的問題。沿空留巷技術(shù)可以消除應(yīng)力集中的煤柱和孤島工作面，減少?zèng)_擊礦壓的發(fā)生。同時(shí)，工作面可以實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)，減少瓦斯積聚等[5-8]。我國自20世紀(jì)50年代開始研究和應(yīng)用沿空留巷技術(shù)，在巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)形式、巷旁充填材料等方面取得了顯著進(jìn)展，已在埋深較淺的薄及中厚煤層礦井中成功應(yīng)用[9]。先后形成了矸石墻、密集支柱、木垛、矸石帶以及巷旁充填(矸石充填、高水充填、膏體充填等)等多種形式的巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)[10]。提出了木棚、工字鋼梯形棚架、U型鋼可縮性棚架、錨桿支護(hù)以及錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)等巷內(nèi)支護(hù)形式[11-12]。隨著淺部煤炭資源日益枯竭，煤炭深井開采越來越多，在深部復(fù)雜條件下進(jìn)行沿空留巷仍存在一些困難，例如，沿空巷道劇烈的礦壓變化、巷道圍巖大變形，實(shí)體煤幫易沖擊，以及留巷采空區(qū)漏風(fēng)和瓦斯積聚等問題。這些因素是制約沿空留巷技術(shù)在煤炭深井開采進(jìn)程中的重要原因[13]。

因此，從國家能源儲(chǔ)備和煤礦自身的可持續(xù)發(fā)展2方面來看，深入研究和實(shí)踐深井工作面沿空留巷圍巖控制原理與技術(shù)具有重要的戰(zhàn)略價(jià)值與實(shí)際意義。筆者以新巨龍深井矸石充填開采工作面沿空留巷為工程背景，探討深井矸石充填工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與留巷原理，并提出深井矸石充填工作面沿空留巷支護(hù)技術(shù)。

1 深井矸石充填沿空留巷原理

1.1 深井工作面礦壓來源與對(duì)策

深井工作面埋深大、地應(yīng)力高，回采時(shí)礦壓顯現(xiàn)劇烈是造成沿空留巷困難的主要原因。如何緩解劇烈的礦壓顯現(xiàn)和控制沿空留巷圍巖穩(wěn)定是深井工作面沿空留巷必須解決的關(guān)鍵問題。深井工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈的根源在于高地應(yīng)力和采動(dòng)引起的劇烈覆巖運(yùn)動(dòng)。采場(chǎng)地應(yīng)力是由工作面埋深和長期的地質(zhì)演變決定的，大范圍解除采場(chǎng)地應(yīng)力比較困難。但是，通過控制和利用覆巖破斷、移動(dòng)形成的覆巖結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)工作面?zhèn)认蜓乜樟粝锞植繀^(qū)域的應(yīng)力卸載，為沿空留巷創(chuàng)造低應(yīng)力的力學(xué)環(huán)境。同時(shí)，通過合理的技術(shù)手段控制采場(chǎng)覆巖劇烈移動(dòng)，減輕應(yīng)力擾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)深井沿空留巷圍巖的穩(wěn)定。

采場(chǎng)覆巖移動(dòng)規(guī)律與巖層結(jié)構(gòu)、巖性和采場(chǎng)回采空間密切相關(guān)。采場(chǎng)空間由工作面長度和采高2個(gè)維度組成。工作面長度對(duì)側(cè)向支承壓力峰值的影響有限[14]。但是，工作面采高越高，上覆巖層垮落、破斷和下沉范圍越大，應(yīng)力調(diào)整過程中形成的側(cè)向支承壓力就越大[15]。因此，采用矸石對(duì)深井工作面后方采空區(qū)進(jìn)行充填，減小工作面等效采高是緩解深井綜采工作面劇烈礦壓顯現(xiàn)的有效途徑[16-17]。圖1為新巨龍煤礦1302N-1矸石充填工作面液壓支架阻力1個(gè)月的變化情況。該工作面埋深767～806 m，煤層平均厚度3.2 m，平均傾角11°，工作面傾斜長度94 m，采用矸石充填綜合機(jī)械化采煤。1302N-1工作面共66臺(tái)液壓支架，從回風(fēng)平巷到運(yùn)輸平巷0～66依次編號(hào)后劃分為3個(gè)區(qū)域，取每個(gè)區(qū)域內(nèi)液壓支架工作阻力平均值。

圖1 液壓支架平均工作阻力Fig.1 Average working resistance of hydraulic support

可以看出3個(gè)區(qū)域內(nèi)液壓支架工作阻力均在支架額定工作阻力范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)應(yīng)力劇增的情況。說明矸石充填能有效緩解深井工作面劇烈的礦壓顯現(xiàn)。深井工作面采用矸石充填采空區(qū)，不僅能夠緩解劇烈的礦壓顯現(xiàn)，而且能夠消化井下矸石，是減少矸石提升成本和地表矸石污染的重要技術(shù)手段。

1.2 深井矸石充填工作面頂板沉降規(guī)律

采空區(qū)頂板沉降規(guī)律直接影響沿空留巷圍巖的穩(wěn)定。矸石充填工作面頂板沉降一方面受開挖空間和基本頂巖層的控制，另一方面受充填矸石和直接頂垮落矸石承載特性的影響。圖2為1302N-1矸石充填工作面采空區(qū)頂板沉降特征曲線。

從頂板沉降整體趨勢(shì)來看，深井矸石充填工作面采空區(qū)覆巖呈階梯式下沉。在頂板進(jìn)入采空區(qū)40 m處和80 m處，頂板沉降速度均有突然增大。頂板最大沉降位移接近1 m。說明采空區(qū)覆巖發(fā)生了分次垮落的，基本頂垮落步距約40 m。但是相對(duì)于3.2 m的采高，不到1 m的沉降值說明充填矸石有效限制了采空區(qū)覆巖的破斷、下沉。圖3為1302N-1矸石充填工作面采空區(qū)矸石承載力特征曲線。

圖3 采空區(qū)矸石承載特征Fig.3 Characteristic bearing capacity of gangue

可以看出，采空區(qū)矸石承受的載荷呈“S型”增長。測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)后初期承受的載荷較小，隨后逐漸增大，最后持續(xù)穩(wěn)定。說明采空區(qū)矸石在初期承載能力較小，矸石處于調(diào)整、滑移階段。隨著工作面推進(jìn)，頂板持續(xù)下沉，矸石承載能力快速增加。采空區(qū)矸石進(jìn)入壓實(shí)承載階段。當(dāng)頂板沉降到一定程度后，矸石承受的載荷趨于穩(wěn)定。此時(shí)，采空區(qū)矸石處于穩(wěn)定承載階段。在矸石穩(wěn)定承載階段，新的承載結(jié)構(gòu)逐漸形成，采空區(qū)覆巖達(dá)到新的平衡。受到采空區(qū)充填矸石的限制，基本頂下沉量減小，基本頂之上覆巖的破斷、運(yùn)動(dòng)受到限制，并逐漸穩(wěn)定。

1.3 沿空留巷覆巖承載結(jié)構(gòu)分析

深井工作面煤體采出后形成的自由空間由采空區(qū)上方巖層垮落充填。因此，傳統(tǒng)垮落法開采時(shí)，采空區(qū)會(huì)形成垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶“三帶”覆巖移動(dòng)特征。在大采高、強(qiáng)采動(dòng)條件下，覆巖移動(dòng)異?；钴S，留巷圍巖在應(yīng)力擾動(dòng)反復(fù)作用下產(chǎn)生弱化。如果采用矸石及時(shí)充填采空區(qū)，在充填矸石充實(shí)率較高、接頂較好時(shí)，采空區(qū)覆巖頂板僅具有斷裂帶和彎曲下沉帶“兩帶”分布特征，充填矸石將替代原覆巖垮落帶[18]。非密實(shí)充填則減小了等效采高，使得垮落帶和斷裂帶范圍減小。

深井矸石充填工作面沿空留巷是利用矸石充填采空區(qū)后上覆巖層不發(fā)生劇烈破斷、運(yùn)動(dòng)。但是，充填矸石增阻慢、壓縮變形量大，充填高度和夯實(shí)程度難以保證矸石密實(shí)充填。因此，采空區(qū)矸石充填為非密實(shí)充填，當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到基本頂極限跨距后，基本頂發(fā)生破斷、回轉(zhuǎn)和觸矸。同時(shí)，引起基本頂控制的上覆巖層同步下沉。基本頂垮落后，在采空區(qū)側(cè)向形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)，其“懸臂”長度隨著垮冒巖層高度的增加而增加。上覆巖層每一次垮落產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)沿空留巷圍巖的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。上部跨落巖層距離煤層越遠(yuǎn)，該巖層垮落造成的擾動(dòng)影響逐漸減小。基本頂巖層破斷產(chǎn)生的厚大巖塊在回轉(zhuǎn)、下沉過程中相互擠壓、咬合，再次形成相對(duì)穩(wěn)定的“砌體結(jié)構(gòu)”[19-20]。沿空留巷圍巖穩(wěn)定性主要受基本頂破斷、運(yùn)動(dòng)形成的這種覆巖結(jié)構(gòu)控制?；卷斊茢嗪驮俅涡纬傻母矌r結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 頂板破斷結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Broken structure model of roof

基本頂破斷后形成的覆巖結(jié)構(gòu)中，回轉(zhuǎn)下沉的三角塊體和側(cè)向懸臂梁對(duì)沿空留巷圍巖穩(wěn)定性影響最大。三角塊體決定了基本頂覆巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。側(cè)向基本頂懸臂梁之下則是應(yīng)力卸載區(qū)，這是進(jìn)行深井高應(yīng)力條件下沿空留巷的力學(xué)基礎(chǔ)。建立基本頂破斷后再次形成的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

q1—巖塊B、C上的載荷集度；q2—采空區(qū)矸石支 撐巖塊B、C的應(yīng)力；q3—留巷結(jié)構(gòu)對(duì)巖塊A的支撐力； qx—側(cè)向基本頂承載的覆巖載荷圖5 頂板二次穩(wěn)定結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Secondary stable structure model of roof

側(cè)向懸臂梁A的穩(wěn)定受到巖塊B和C所傳遞的水平推力影響。如果巖塊B、C鉸接結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，則巖塊A更容易發(fā)生斷裂和回轉(zhuǎn)，造成留巷圍巖失穩(wěn)。

基本頂破斷后巖塊B、C可能發(fā)生2種失穩(wěn)形式，即剪切滑移破壞的滑落失穩(wěn)和擠壓破壞的變形失穩(wěn)。根據(jù)三鉸拱平衡原理，使巖塊B和巖塊C保持平衡的水平推力T為：

(1)

式中：q1為巖塊B、C上的載荷集度，MPa；q2為采空區(qū)矸石支撐巖塊B、C的應(yīng)力，MPa；LBC為跨距，m；h為基本頂厚度，m。

可以看出，基本頂破斷結(jié)構(gòu)上部覆巖載荷q1越小，采空區(qū)矸石支撐應(yīng)力q2越大，使巖塊B、C達(dá)到平衡的水平推力T就越小，基本頂破斷結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定，反之，則越容易失穩(wěn)。

工作面剛推過時(shí)，采空區(qū)矸石的支撐作用還很小，巖塊內(nèi)的剪切力達(dá)到最大為

(2)

當(dāng)基本頂巖塊剛度較大，沒有發(fā)生局部擠壓破壞時(shí)，剪切力小于或等于巖塊摩擦力，巖塊B、C才能保持穩(wěn)定，則承載結(jié)構(gòu)保持平衡的條件為：

Rmax≤Ttanφ

(3)

式中，φ為基本頂巖層內(nèi)摩擦角，(°)。

(4)

根據(jù)式(4)可知巖塊B、C是否發(fā)生滑落失穩(wěn)，主要由受到基本頂厚度與巖塊斷裂跨度影響?；卷敽穸仍酱蟆⒖缍仍叫?，基本頂破斷結(jié)構(gòu)抗滑落失穩(wěn)能力越強(qiáng)。

如果巖塊在局部應(yīng)力集中處擠壓破壞，則巖塊B、C不發(fā)生變形失穩(wěn)的條件[15]為：

(5)

式中：Δ1為巖塊B的回轉(zhuǎn)下沉量，m；n為基本頂巖層抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比；K=1/2～1/3；K′為基本頂巖層擠壓強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比。

根據(jù)式(5)可知，基本頂破斷后二次形成的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與基本頂厚度、強(qiáng)度以及基本頂下沉量相關(guān)，基本頂厚度越大，抗壓強(qiáng)度越大，基本頂下沉量越小，基本頂破斷結(jié)構(gòu)抗變形失穩(wěn)能力越強(qiáng)。因此，采空區(qū)充填矸石充填高度越高、密實(shí)度越好，則基本頂越快觸矸，基本頂下沉量越小，基本頂破斷后形成的二次結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。

懸臂梁A上的載荷Fx為

(6)

式中：LA為懸臂梁跨距，m；θ1為B巖塊回轉(zhuǎn)角，(°)。

根據(jù)式(6)可以看出，在覆巖承載結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定性的條件下，懸臂梁上的載荷受到上覆巖層的載荷、懸臂梁跨度以及下部直接頂?shù)闹螒?yīng)力影響。上覆巖層載荷集度越小、懸臂梁跨度越小、基本頂下部巖層支撐應(yīng)力越大，則懸臂梁越穩(wěn)定。因此，通常采用定向爆破切頂和密集剛性支柱切頂?shù)确绞竭M(jìn)行切頂減小懸臂梁跨度。同時(shí)，增加巷旁結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度來保持直接頂對(duì)基本頂?shù)闹螒?yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)懸臂梁A的穩(wěn)定。

2 深井工作面沿空留巷圍巖控制

2.1 沿空留巷圍巖應(yīng)力變化

工作面推過后，采空區(qū)上覆巖層自下而上發(fā)生破斷、垮落。在采空區(qū)四周邊界，形成“懸臂梁”式覆巖結(jié)構(gòu)。上覆巖層載荷向采空區(qū)四周邊界轉(zhuǎn)移，形成超前支承壓力和側(cè)向支承壓力。在垂直方向上，側(cè)向邊界上的“懸臂梁”覆巖結(jié)構(gòu)承載了上覆巖層轉(zhuǎn)移的大部分載荷，并通過直接頂傳遞至沿空巷道圍巖。在水平方向上，側(cè)向支撐壓力峰值向側(cè)向?qū)嶓w煤深部轉(zhuǎn)移。采空區(qū)側(cè)向形成倒梯形承載區(qū)或楔形承載區(qū)[21]，如圖6所示。

圖6 沿空留巷圍巖承載結(jié)構(gòu)Fig.6 Bearing structure of surrounding rock of gob-side entry retaining

在側(cè)向支承力擾動(dòng)作用下，該承載區(qū)巖體逐漸弱化，承載能力逐漸降低，倒梯形承載區(qū)范圍隨著側(cè)向支承壓力轉(zhuǎn)移和上覆巖層的破斷、垮落而不斷增大。在覆巖垮落至主關(guān)鍵層時(shí)倒梯形承載區(qū)范圍達(dá)到最大。充填工作面由于等效采高減小，采空區(qū)覆巖垮落范圍有限，有效緩減小了轉(zhuǎn)移至采空區(qū)邊界煤體上的力。沿空留巷的倒梯形承載區(qū)范圍主要為基本頂以下的直接頂圍巖。上覆巖層作用力由基本頂傳遞給直接頂，沿空留巷形成了巷旁支撐結(jié)構(gòu)，直接頂由于不同支撐結(jié)構(gòu)的作用，應(yīng)力重分布形成“應(yīng)力雙峰”效應(yīng)[22]。實(shí)體煤幫側(cè)圍巖承載了大部分上覆巖層載荷，采空區(qū)側(cè)巷旁支護(hù)體承載了小部分載荷。同時(shí)，通過應(yīng)力傳遞，沿空巷道底板圍巖承受實(shí)體煤幫和巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞下來的非均勻載荷作用。

2.2 沿空留巷圍巖變形特征分析

基于沿空留巷圍巖應(yīng)力分布規(guī)律和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)深井沿空留巷圍巖表現(xiàn)出如下特征，如圖7所示。

圖7 沿空留巷圍巖變形特征Fig.7 Deformation characteristics of surrounding rock in gob-side entry retaining

1)巷道頂板易破碎。巷道直接頂圍巖處于“倒梯形承載區(qū)”，是傳遞上覆巖層應(yīng)力的主要區(qū)域。沿空留巷巷道頂板受相鄰2個(gè)工作面回采擾動(dòng)影響，頂板圍巖急劇弱化，巷道頂板極易破碎、垮落。加之巷道兩幫支撐阻力不一致，頂板圍巖“易破碎”難以自穩(wěn)。

2)巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)大變形。沿空留巷巷旁支護(hù)體在基本頂懸臂之下主要受直接頂重力作用。直接頂上存在一個(gè)較小的應(yīng)力峰值，矸石墻體作為巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，由于矸石受壓縮時(shí)具有分級(jí)蠕變特性，在受載時(shí)累積變形量大。在直接頂載荷作用下，矸石墻在垂直方向被壓縮后，在側(cè)向產(chǎn)生較大的鼓幫。

3)實(shí)體幫圍巖易沖擊。在深井工作面沿空巷道實(shí)體煤幫，由于埋深大，且受到相鄰工作面支承壓力疊加作用，實(shí)體煤幫圍巖內(nèi)應(yīng)力集中，即存在一個(gè)很大的應(yīng)力峰值，如果實(shí)體煤幫圍巖具有沖擊傾向性，則沿空巷道實(shí)體煤幫區(qū)域容易發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)。

4)底板圍巖變形非均勻。煤系地層中，煤層底板相對(duì)軟弱，在高水平應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生底板圍巖塑性流動(dòng)或底板巖層斷裂。由于留巷墻幫和實(shí)體煤兩幫傳遞到底板的載荷差異較大，這種非均勻應(yīng)力必然導(dǎo)致沿空留巷巷道底板非均勻的變形，容易形成“壓剪流動(dòng)性”底鼓。

2.3 沿空留巷圍巖控制原理與支護(hù)原則

根據(jù)前文中深井工作面沿空留巷圍巖的應(yīng)力與變形特征分析，得到深井矸石充填工作面沿空留巷圍巖控制基本原理如下：

1)留巷頂板圍巖超前支護(hù)、強(qiáng)力護(hù)表、深部錨固。在工作面回采之前加固沿空巷道頂板圍巖，頂板淺表區(qū)域強(qiáng)力支護(hù)，保持頂板完整。在工作面回采前，對(duì)沿空留巷頂板施加初次支護(hù)，形成梁式承載結(jié)構(gòu)，使得巷道頂板能夠自穩(wěn)。留巷后進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，確保沿空巷道頂板在下區(qū)段工作面回采期間保持穩(wěn)定。

2)巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)合理寬度、側(cè)向約束、協(xié)同承載。在矸石墻寬度合理?xiàng)l件下，控制巷旁矸石墻鼓出，實(shí)現(xiàn)柱-墻協(xié)同承載。采用矸石墻和柱式支撐結(jié)構(gòu)共同作為巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)，在矸石墻堆砌過程中采用穿墻錨桿+金屬網(wǎng)+鋼帶等支護(hù)結(jié)構(gòu)約束矸石墻的側(cè)向變形，并通過施加一定的預(yù)緊力，提高矸石墻承載能力并盡快承載。在沿空留巷時(shí)，頂板載荷首先由立柱支撐，隨著矸石墻壓縮量增大，其承載能力增加，逐漸達(dá)到立柱與矸石墻協(xié)同承載。

3)留巷實(shí)體煤幫卸荷載、防沖擊、控幫鼓。雖然沿空巷道大部分圍巖都在基本頂破斷形成的大結(jié)構(gòu)下。但在實(shí)體煤幫圍巖內(nèi)應(yīng)力集中，存在峰值應(yīng)力，在采動(dòng)影響下容易產(chǎn)生實(shí)體煤幫大變形。如果實(shí)體煤幫具有沖擊傾向性，則需防治實(shí)體煤幫的沖擊危險(xiǎn)?？刹捎米冎睆姐@孔卸壓預(yù)防深井沿空留巷煤幫沖擊破壞。

4)留巷底板圍巖高應(yīng)力深部轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移峰值應(yīng)力，減少底板非均勻變形。由于沿空巷道兩幫圍巖傳遞下來的應(yīng)力呈非均勻分布，加上巷道底板圍巖強(qiáng)度低，容易造成底板的擠壓鼓出破壞。實(shí)體煤幫傳遞的應(yīng)力明顯較大，因此，通過對(duì)實(shí)體煤幫鉆孔，將實(shí)體煤幫淺表圍巖中的高應(yīng)力向煤體深部轉(zhuǎn)移，從而減少沿空巷道底板的非均勻鼓出。基于深井矸石充填工作面沿空留巷圍巖控制原理可知沿空留巷巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)需遵循先固頂→再護(hù)幫→后護(hù)底的支護(hù)原則。

3 深井工作面沿空留巷技術(shù)

3.1 深井工作面采充概況

新巨龍2305S-2號(hào)矸石充填工作面位于-810水平二采區(qū)南翼，工作面走向長度239 m，傾斜長度120 m，埋深920～974 m。2305S-2號(hào)充填工作面主采3號(hào)煤，3號(hào)煤分為3上煤和3下煤，3上煤厚2.3～3.9 m，平均3.06 m。3下煤厚3.0～6.0 m，夾矸厚3.9～19.3 m。3上煤為穩(wěn)定煤層，傾角7°～10°，平均8°，普氏系數(shù)f=1.59。2305S-2號(hào)充填工作面采用單一走向長壁綜合機(jī)械化充填采煤。采用井下煤矸分離系統(tǒng)將煤和矸石分離，矸石通過專用充填液壓支架和刮板輸送機(jī)進(jìn)入工作面充填采空區(qū)。

3.2 深井工作面沿空留巷方案

工作面采用矸石袋壘設(shè)隔離墻+鋼管混凝土立柱作為巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行沿空留巷。矸石袋交錯(cuò)壘設(shè)，確保袋子之間充分搭茬，保證隔離墻壘設(shè)密實(shí)。矸石墻厚3.0 m，隔離墻兩側(cè)掛設(shè)金屬網(wǎng)和W鋼帶，隔離墻內(nèi)預(yù)留長3.5 m錨桿用于鎖緊矸石墻。距隔離墻0.5 m處沿巷道走向設(shè)置鋼管混凝土立柱，立柱間距為2.0 m。采用直徑159 mm，壁厚6 mm的無縫鋼管，兩端封堵后采用抬升灌注法注滿水泥，鋼管混凝土柱的高度為3.8 m。同時(shí)，在支設(shè)鋼管混凝土立柱時(shí)，立柱上方墊設(shè)高0.2 m的方木接頂，達(dá)到讓壓的目的，如圖8所示。

圖8 沿空留巷巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.8 Side support structure ofgob-side entry retaining

3.3 沿空留巷巷道支護(hù)技術(shù)

1)沿空巷道巷道超前支護(hù)。沿空留巷巷道為2305S-2號(hào)工作面下平巷，主要作為進(jìn)矸、進(jìn)風(fēng)，輔助運(yùn)料、行人，通過沿空留巷作為下區(qū)段的回風(fēng)平巷。巷道凈寬4.8 m，凈高4.0 m，凈斷面19.2 m2。頂板和上幫采用錨桿+W鋼帶+鋼筋網(wǎng)支護(hù)，下幫采用錨桿+錨帶+塑料網(wǎng)支護(hù)。錨桿為?22 mm×2 500 mm無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿。在矸石墻壘設(shè)后，在滯后支架尾梁5 m處對(duì)預(yù)留錨桿進(jìn)行張拉(張拉力≥20 kN)。在滯后支架尾梁20 m處對(duì)錨桿進(jìn)行二次張拉(張拉力≥50 kN)。強(qiáng)化矸石墻在側(cè)向方向的約束，促使矸石墻盡快承載。

2)沿空留巷幫頂加強(qiáng)支護(hù)。進(jìn)行沿空留巷前，巷道頂板采用?21.8 mm×6 300 mm高預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。錨索布置在巷道頂板鋼帶之間。錨索預(yù)緊力應(yīng)控制在80～100 kN。沿空留巷后，采用注漿錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，注漿錨索布置在2排超前錨索中部，注漿錨索長度6 300 mm。注漿孔設(shè)置在注漿錨索中部，端部采用3根樹脂藥卷錨固，最小錨固長度不小于1.5 m。注漿錨索安裝完畢，根據(jù)頂板裂隙發(fā)育情況，滯后工作面一定距離(30～50 m)進(jìn)行注漿，強(qiáng)化頂板圍巖。

4 深井工作面沿空留巷監(jiān)測(cè)

4.1 巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載與變形

在矸石墻內(nèi)離地高度分別為2 m和3 m處安裝2個(gè)頂板離層儀，監(jiān)測(cè)矸石墻的膨脹變形量。同時(shí)，在石墻中安裝2個(gè)壓力盒(1、2號(hào))，壓力盒間距0.8 m，距底板1.0 m，安裝深度1.5 m，對(duì)矸石墻體受壓壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖10所示。

圖9 矸石墻膨脹變形Fig.9 Expansion deformation of gangue wall

圖10 矸石墻承載Fig.10 Bearing of gangue wall

在離底板2 m處測(cè)點(diǎn)的變形量在監(jiān)測(cè)前40 d內(nèi)緩慢增長，在40 d時(shí)突然增大，隨后趨于平穩(wěn)。在離底板3 m處測(cè)點(diǎn)的變形量在監(jiān)測(cè)前40 d內(nèi)快速增長，在監(jiān)測(cè)至40～90 d時(shí)變形增長變緩。在監(jiān)測(cè)至90～110 d時(shí)變形再次加速增長，隨后再次變緩，呈現(xiàn)臺(tái)階式增長規(guī)律。相比而言，離底板3 m處的變形量更大，且增大趨勢(shì)更顯著。矸石墻內(nèi)的2個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)出了臺(tái)階式增長特征，其中，2號(hào)測(cè)點(diǎn)還出現(xiàn)了應(yīng)力減小的情況。不同高度的測(cè)點(diǎn)變形量差異性較大，說明矸石墻不同高度的膨脹變形不均勻。矸石墻臺(tái)階式膨脹變形特征說明矸石墻受力后，墻內(nèi)矸石發(fā)生了破碎、調(diào)整，使得矸石墻內(nèi)應(yīng)力傳遞也具有臺(tái)階式的變化特征。整體上看矸石墻具有分級(jí)承載的特性。因此，需要加強(qiáng)矸石墻側(cè)向約束，優(yōu)化矸石級(jí)配甚至注漿強(qiáng)化以保證矸石墻快速、穩(wěn)定承載。

4.2 留巷頂板錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)

在距開切眼前方50 m處的頂板錨索安裝傳感器，對(duì)頂板錨索的應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖11所示。從矸石墻到實(shí)體煤幫的頂板錨索分別編號(hào)為1、2、3號(hào)對(duì)應(yīng)3個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道。

圖11 錨索錨固力變化Fig.11 Force changes of anchor cable

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，沿空巷道頂板錨索最大作用力分別為221.2、233、233 kN，分別在距工作面19.8、30、42 m時(shí)達(dá)到最大值，矸石墻側(cè)1號(hào)錨索受力達(dá)到最大值后急劇下降，頂板中部2號(hào)錨索受力達(dá)到最大值后持續(xù)12 d后開始下降，實(shí)體煤側(cè)3號(hào)錨索受力達(dá)到最大值后保持穩(wěn)定。說明沿空留巷巷道頂板靠近矸石墻一側(cè)下沉量大，實(shí)體煤幫一側(cè)頂板下沉量較小，驗(yàn)證了前文中覆巖頂板的回轉(zhuǎn)下沉規(guī)律。由于錨索延伸率不足，在矸石墻一側(cè)的頂板錨索拉斷失效。因此，需要進(jìn)一步限制直接頂在矸石墻一側(cè)的下沉變形，同時(shí)，在矸石墻一側(cè)應(yīng)當(dāng)選用具有一定延伸率的錨索，實(shí)現(xiàn)頂板圍巖與錨索支護(hù)協(xié)同變形和共同承載。

4.3 沿空留巷巷道整體效果

新巨龍2305S-2號(hào)矸石充填工作面自開切眼向前推進(jìn)100 m后，距離開切眼50 m處沿空留巷圍巖的變形情況如圖12所示。

圖12 沿空留巷效果Fig.12 Effect of gob-side entry retaining

可以看出，采用矸石充填采空區(qū)以及“矸石墻+鋼管混凝土立柱”作為巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)，基本實(shí)現(xiàn)了深井矸石充填工作面的沿空留巷目的。沿空留巷巷道的隔離墻與實(shí)體煤幫的相對(duì)移近量不大，頂板完整性較好，且頂板下沉量不大，但是底鼓量較大，且部分區(qū)域硬化后的底板發(fā)生破裂?？梢姡粝飮鷰r變形量總體上在可控范圍內(nèi)，留巷獲得成功，但需要進(jìn)一步加強(qiáng)底鼓控制。

5 結(jié) 論

1)深井綜采工作面矸石充填后礦壓顯現(xiàn)不劇烈，采空區(qū)上覆巖層產(chǎn)生階段性下沉，但是直接頂冒落高度減小?；卷斚鲁潦芟蓿喜扛矌r破斷、運(yùn)動(dòng)特征不明顯。

2)深井矸石充填工作面留巷前采用錨桿+W鋼帶進(jìn)行支護(hù)，采用矸石墻+鋼管混凝土柱作為巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)，臨時(shí)支護(hù)采用單體配合鉸接頂梁，永久支護(hù)采用長錨索+注漿錨索控制頂板實(shí)體煤幫，成功實(shí)現(xiàn)了深井工作面的沿空留巷。

3)深井沿空留巷矸石墻受載后變形不均勻，矸石墻膨脹變形和承載能力均臺(tái)階式增阻特征，在受壓承載一定時(shí)間后需要強(qiáng)化墻體兩側(cè)的約束，以促使矸石墻能夠加快承載。

4)沿空留巷巷道頂板下沉不均勻，在矸石墻一側(cè)下沉量大，頂板錨索需具備一定的延伸率，以實(shí)現(xiàn)錨索與頂板的協(xié)同變形。