孤島工作面柔模混凝土沿空掘巷圍巖協同控制技術

王慶雄

(國能神東煤炭集團有限公司，陜西 神木 719315)

小(無)煤柱沿空掘巷技術可降低煤柱尺寸，提高煤炭資源回收率，是煤礦安全高效生產的關鍵技術之一[1-3]。目前沿空掘巷技術主要包括窄煤柱沿空掘巷、無煤柱沿空掘巷及110工法等，我國學者在沿空掘巷支護理論及技術方面取得了許多研究成果，推動了我國沿空掘巷技術的進步和發(fā)展[4-7]。李學華等[8]對典型小(窄)煤柱沿空掘巷的現場應用情況進行統計分析，認為煤柱失穩(wěn)主要與埋深、煤層厚度、圍巖強度、老頂巖層強度、采動影響及支護強度有關；李術才等[9，10]研究了沿空掘巷圍巖裂隙演化規(guī)律及幫部圍巖受力特征；鄭西貴等[11]基于沿空掘巷的問題，模擬研究了巷道變形、支護強度、煤柱穩(wěn)定狀況與煤柱尺寸之間的關聯程度；張東升等[12]預先澆筑混凝土墻體，然后進行沿墻掘巷，很好地實現了沿空掘巷；張農等[13]認為動壓影響導致沿空掘巷煤柱失穩(wěn)，并提出了預應力組合支護技術；柏建彪等[14]研究了大埋深、大傾角背景下沿空掘巷覆巖演化規(guī)律，并提出相應的圍巖控制措施；王東攀[15]為了解決厚煤層沿空留巷問題，提出了高強支護與區(qū)域壓裂卸壓協同控制技術；范凱[16]針對頂板卸壓效果差的問題，提出了分階段復合支護切頂技術，卸壓效果顯著。

我國學者在沿空掘巷圍巖變形破壞、煤柱失穩(wěn)及支護結構優(yōu)化等方面開展了大量的研究，促進了我國沿空掘巷水平的提升。但在孤島工作面實施完全沿空掘巷的研究相對較少，孤島工作面完全沿空掘巷圍巖變形破壞機理、充填體力學性能及支護技術等方面還有待進一步完善。本文以榆家梁煤礦52402工作面為研究背景，針對孤島工作面沿空巷道圍巖變形破壞的難題，對完全沿空掘巷技術工藝、巷道頂板結構演化規(guī)律、巷道圍巖變形特征展開研究，并提出了相應的控制對策。

1 工程概況

榆家梁煤礦52402工作面，煤厚3.1～4.45m，傾角1°～3°，節(jié)理發(fā)育，其賦存結構較為簡單。該礦為低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性，屬Ⅱ類自燃煤層。工作面埋藏深度75～150m，覆巖上部為風積沙松散層，基巖最薄19m，對應上覆松散層厚度73m，上覆基巖與松散層厚度最薄36m，覆巖最厚150m，基巖厚度64m。

52402工作面地表為黃土溝壑區(qū)，且上覆59～63m處有43煤層采空區(qū)，52402輔運巷位于43煤層工作面煤柱正下方，受動壓影響較小。該面為孤島工作面，兩側分別為無煤柱完全沿空掘巷(現為52402輔運巷)、52403面沿空留巷(現為52402運輸巷)，如圖1所示。52402工作面走向長2115m，傾斜長360.8m，每日推進10～14m。其生產方式為一次采全高、全部垮落管理采空區(qū)，采高為3.8m。

圖1 工作面布置

2 柔?；炷镣耆乜站蛳锛夹g

2.1 孤島工作面覆巖結構特征

基于孤島工作面兩巷覆巖破斷與覆巖“O-X”型破斷特征的不同，沿空掘巷和留巷的上部覆巖斷裂會具有下列特征：

1)掘巷懸臂梁結構要比留巷的小(S1L2)，如圖2所示。

圖2 孤島工作面覆巖結構

2)掘巷時支承壓力由懸臂梁結構斷裂處向52402工作面深部轉移，因其懸臂梁結構小所受52401采空區(qū)的覆巖壓力也小，但掘巷覆巖在煤層內斷裂的較深。因此，應力最大值在本工作面深部且還小于留巷的應力最大值；留巷時支承壓力傳遞路徑與掘巷時一致，但受52403采空區(qū)覆巖的壓力要大，應力最大值位于留巷頂部，應力曲線向工作面延伸，最終趨于原巖應力。

3)52402工作面回采期間，52402運輸巷(留巷)的墻體受力大，墻體頂板下沉要比煤幫頂板下沉大，礦壓顯現更加強烈。而52402輔運巷(掘巷)墻體受力相對較小，變形也不大。

2.2 完全沿空掘巷力學分析

2.2.1 完全沿空掘巷礦壓特征

工作面回采穩(wěn)定后，采空區(qū)側向煤體主要分為應力降低區(qū)、應力升高區(qū)和原巖應力區(qū)，留煤柱的沿空巷道通常在應力峰值影響區(qū)域內，將會導致沿空巷道煤柱收到較大的應力集中，維護比較困難。而完全沿空巷道則在應力降低區(qū)域內，側向壓力最大值屆時將會傳遞至深部，其礦壓顯現不會太明顯，易于維護。

2.2.2 完全沿空掘巷頂板結構

上個工作面初采期間，老頂在初次來壓后發(fā)生破斷形成“O-X”型特征，之后繼續(xù)向前推進老頂發(fā)生周期性破斷，且形成半“O-X”型特征，進而形成弧形三角塊的結構，如圖3所示。本工作面回采時將引起老頂失穩(wěn)，塊體A將因回轉力矩M′、M的作用而向“弧形三角塊”B的方向出現變形，致使淺埋沿空掘巷大結構失穩(wěn)，弧形三角塊B失穩(wěn)主要與煤柱承載力、巷道穩(wěn)定性有關。

圖3 掘巷與覆巖結構間的關系

為預防完全沿空掘巷的密閉問題，在上一工作面回采期間采用柔模混凝土筑墻，使其巷道在應力降低區(qū)區(qū)域內掘進，降低巷道維護量，解決突出、沖擊地壓的問題。

本工作面回采時，采空區(qū)上覆巖層經過劇烈活動穩(wěn)定后形成“大結構”，由于完全沿空掘巷位于應力降低區(qū)，維護相對簡單。受超前壓力影響巷道出現變形破壞，所構筑的墻體起到了一定的加強支護效果，等臨近面推進完成后動壓的作用逐漸變弱，巷旁支護承載能力與支承壓力相互平衡，圍巖逐步保持穩(wěn)定。頂板應力穩(wěn)定后，由于墻體強度逐步降低，導致墻體出現不同程度的變形破壞，頂板巖層也出現下沉，最終致使巷道圍巖結構出現失穩(wěn)。

2.2.3 沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性因素

沿空掘巷圍巖是否穩(wěn)定與應力環(huán)境、巷道埋深、圍巖性質、煤層厚度、回采動壓、煤柱(或充填體)強度等有關[17-20]。

1)應力環(huán)境。大煤柱巷道位于原巖應力區(qū)，容易維護但資源浪費嚴重；窄(小)煤柱巷道位于應力降低區(qū)，但煤體破碎嚴重，強度低，在工作面回采時變形嚴重；完全沿空掘巷的巷道位于應力降低區(qū)，通過澆筑墻體提高煤柱承載能力，煤柱承載力高，巷道不易發(fā)生變形。

2)埋深。原巖應力大小與煤層埋深成正比關系，埋深越大，沿空掘巷壓力顯現越明顯，巷道變形越嚴重。

3)圍巖性質。煤柱失穩(wěn)的關鍵因素是圍巖性質。在軟弱、膨脹性巖石的條件下實施沿空掘巷，煤柱不易維護且變形破壞的狀況較多。

4)開采厚度。圍巖破壞范圍與煤層開采厚度有關，開采厚度越大，圍巖破壞范圍越大，礦壓顯現越強烈，沿空掘巷越難以維護。

5)采動影響。沿空掘巷圍巖經受兩次采動影響，圍巖破碎嚴重，圍巖強度較低，圍巖自承載能力低，巷道圍巖難以保持穩(wěn)定。

6)煤柱(墻體)支護強度。煤柱或墻體強度是保持沿空掘巷穩(wěn)定的關鍵，只有通過提高煤柱支護強度或墻體強度，才能保證沿空掘巷頂板的穩(wěn)定。

2.3 柔?；炷翂ψ饔脵C制

1)柔模墻體應有早強、快增阻的性能，能確保直接頂的完整性和自承載力。墻體第一次受動壓影響時，超前上區(qū)段工作面一定范圍內及時澆筑墻體，墻體早強快凝的特性將使直接頂不易出現離層破壞，確保上、下位頂板巖層同時活動。頂板來壓、下沉前，快增阻將使墻體達到切頂阻力，沿支護體外邊緣切落足夠高度的頂板，強動載荷得以降低，頂板垮塌的矸石填實采空區(qū)，盡快使關鍵塊體活動穩(wěn)定下來。

2)柔模墻體應有一定的可縮量。人工墻體一般對關鍵塊體的斷裂運動起不到實質性作用，墻體除強度高外還應有變形性能，能夠適應覆巖劇烈運動造成的頂板下沉起到讓壓的作用，也降低對墻體的壓力，達到控頂載荷向實體煤、采空區(qū)矸石移動的目的，使實煤幫、墻體、矸石共同承載掘(留)巷上部頂板載荷。

3)柔模墻體還應有較高的后期強度。完全沿空掘巷穩(wěn)定后，墻體出現變形破壞的可能性極大，所以墻體后期強度極其重要且應確保覆巖斷裂后的平衡，該巷道又要受二次動壓影響，維護難度也加大，為抑制墻體出現流變需要其后期具有較高的強度。

2.4 技術原理及工藝流程

根據上述對沿空掘巷的理論分析，提出柔?；炷镣耆乜站蛳锛夹g原理及工藝流程：工作面回采期間，靠近接替工作面的巷道煤柱幫側提前澆筑柔模混凝土擋墻(或提前擴幫后進行)，待工作面回采結束且采空區(qū)頂板垮落運動穩(wěn)定后，再沿著擋墻掘進接替工作面巷道，實現無煤柱沿空掘巷的開采。其技術工藝流程如圖4所示。

圖4 完全沿空掘巷工藝流程

3 巷旁充填體參數設計

3.1 支護體可縮量確定

根據經驗，裂隙帶巖層到煤體極限平衡區(qū)的水平距離為19m(S=19m)，即為最大下沉量L2，造成煤壁下沉分量L1。煤壁側有一定的壓縮變形，估算時應將煤體邊緣的變形L0考慮進去。墻體可縮量應與沿巷幫煤壁下沉量相一致，得到巷旁支護體可縮量L：

經計算得出墻體的最大可縮量L′為0.35m。

3.2 充填體支護阻力確定

基于柔模墻支護承載的機理，將墻體受力進行簡化處理，如圖5所示。

圖5 巷旁支護體受力模型

對O點取矩，模型的力學平衡方程為：

[htan(θ-α)+0.5(x+a+b)]+0.5Ghsinα

式中，q為墻體支護強度，kN/m；x為煤壁極限平衡區(qū)寬度，m；a為沿空巷道寬度，取5.2m；b為墻體寬度，取1.2m；h為極限切頂高度，m；G為極限切頂高度內巖石重量，kN/m3；α為煤層傾角，取3°；θ為頂板巖石破斷角，取45°。

經計算得出墻體強度為2620kN/m，采用C30混凝土能夠符合要求。52401工作面推采期間，按設計在巷道煤柱幫側構筑寬度為1.2m的柔?；炷翂?。經計算得出柔模墻體可縮量為350mm，因此在墻體上方設置厚度為400mm的柔性墊層，提高墻體的壓縮性能?；谌崮Τ袎捍?、易發(fā)生側向破壞的特性，在柔性模板上預留錨栓孔并在錨栓端部均應上緊托板、螺母，增加墻體強度。根據經驗取值，預留孔間距1.0m、排距為0.75m。

4 完全沿空掘巷圍巖協同控制技術

根據淺埋工作面頂板結構特點，結合充填體力學特性，提出提高錨固結構承載力、加強巷幫和頂板支護強度及巷內支護等協同控制原則。

4.1 協同控制思路

4.1.1 提高錨固結構承載力

巷道支護系統由低強度、低剛度、低預應力向高強度、高剛度及高預應力轉變，通過提高其支護強度、剛度和預應力，實現巷道圍巖的有效控制。

要實現三高支護，必須配套相應的錨桿、錨索支護材料及構件[13]。三高支護中錨桿可有效控制圍巖淺部破壞，錨索可控制圍巖深部破壞。同時，還能抑制巖層的錯動、剪切等變形，適合于強動壓影響的沿空掘巷圍巖控制要求。

4.1.2 巷道幫頂協同控制

巷道幫部對頂板起到支撐作用，巷幫穩(wěn)定是實現頂板穩(wěn)定的關鍵。

1)利用高預應力錨索提高頂板支護強度。沿空掘巷頂板會出現不協調下沉，采空區(qū)側下沉更大。所以，設計時要適當提高采空區(qū)頂板的支護強度和支護深度，將錨索錨固至穩(wěn)定巖層。在頂板切頂時，要及時進行補強支護，防止頂板出現斷裂失穩(wěn)，確保沿空掘巷頂板穩(wěn)定。

2)增加巷幫錨索長度。沿空掘巷上覆巖層運動導致巷幫煤體承載力急劇增加，巷幫煤體主要承載上覆巖層壓力，一旦巷幫煤體失穩(wěn)將導致頂板強烈下沉，甚至失穩(wěn)。所以，要增加巷幫煤體支護范圍，提高巷幫煤體的承載力。同時，本工作面為孤島工作面，巷道礦壓顯現強烈，巷幫煤體破壞范圍更大，錨桿已全部位于塑性破碎區(qū)，基本失去錨固支護作用。通過采用長錨索進行支護，將錨索錨固在彈性區(qū)或相對完整區(qū)域，增加其錨固力，提高錨網支護結構的支護作用。

4.1.3 巷內超前臨時支護

本工作面回采期間巷道上部覆巖劇烈活動，采空區(qū)頂板也未充分垮塌，對覆巖也未形成有效支撐，且頂板支護體系受上覆承壓結構下沉時難以自穩(wěn)。為抑制沿空巷道覆巖活動對其造成的影響，考慮到該礦巷道具有沖擊性強、來壓強度大的特征，充填體無法有效控制沿空巷道圍巖，沿空巷道內還需臨時支護以抵抗關鍵覆巖斷裂下沉所造成的影響。

在工作面回采前，提前打設密集單體支柱，支柱與頂板圍巖間加設木墊塊、橡膠等柔性墊層，利用單體柱增阻快的優(yōu)勢，實現沿空掘巷頂板的及時控制，同時柔性墊層也能避免單體支柱剛性破壞。

4.1.4 圍巖協同控制時空關系

提出以“充(澆筑柔模混凝土墻)、掘(沿墻掘巷)、補(加強掘巷頂幫強度)、支(巷內超前臨時支護)”為核心的柔模混凝土完全沿空掘巷圍巖控制基本思路，要想充分起到協同控制效果，須協調好三者之間的時空關系。上區(qū)段工作面回采前或超前工作面一定距離內，開始實施澆筑柔?；炷翂Α４蠀^(qū)段采空區(qū)頂板垮落運動穩(wěn)定后，沿著墻體掘進巷道，此時掘進的巷道要對巷道頂板、幫部進行高強支護，而本工作面回采前超前一定距離內進行臨時支護以抵抗本工作面超前支承壓力及上區(qū)段采空區(qū)覆巖運動的影響。

綜上，通過從時間和空間上合理進行澆筑混凝土，使上一工作面采空區(qū)達到徹底穩(wěn)定后，沿墻體掘巷，通過高強支護、臨時支護等手段提高巷道頂板支護強度，通過協調充填體、錨網支護、補強支護及單體支柱的時空關系，實現多種支護方式間的協同控制。

4.2 關鍵技術參數

1)柔模混凝土墻支護參數?；炷翉姸鹊燃墳镃30，墻厚1200mm，墻高3400mm。為增加混凝土強度，柔性模板提前留好錨栓孔并將錨栓端部上緊托板、螺母，錨栓外露長度要大于100mm。

2)沿空掘巷巷道支護參數。52402輔運巷沿墻掘進，巷寬5.2m，高3.4m，斷面積17.68m2。采用螺紋鋼錨桿、錨索、鋼筋網、π型鋼帶進行聯合支護。錨桿每排5根，排距1000mm；錨索每排3根，排距2000mm，π型鋼帶將錨索連在一起。巷道交叉段且寬度超寬時，補打錨索及架設木垛進行加強支護?；夭蓭筒捎?18mm×1600mm的玻璃鋼錨桿和1800mm×2000mm的塑料網支護，錨桿間排距為1300mm×1500mm。當頂板出現如破碎、離層等特殊區(qū)域時，應進行“短掘短支”，并加強頂板支護管理。

5 工程驗證

巷道掘進期間礦壓監(jiān)測結果如圖6所示，由圖6可知，頂板錨索受力不大，受力主要位于40～90kN之間，個別錨索受力達到240kN。墻體內部受力在距工作面0～300m范圍內變化較大，但墻體未出現開裂破壞的情況，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。除局部巷道頂板有一定下沉外，大部分區(qū)域巷道頂板下沉量較小，頂板下沉量位于50～160mm，兩幫最大收縮量100mm。

圖6 巷道掘進期間礦壓監(jiān)測結果

52402工作面回采期間，超前工作面20m區(qū)域內應力急速增高，墻體表面的噴漿材料出現大面積剝落，頂板下沉高達400mm且較為明顯；超前工作面25～35m區(qū)域內頂板下沉量減小為350mm；超前工作面35m以外，頂板下沉不再明顯，兩幫及頂板也沒有出現破壞的情形，巷道整體完整性好。

6 結 論

1)建立了沿空掘巷覆巖結構模型，分析了完全沿空掘巷覆巖結構、礦壓特征及頂板結構斷裂形態(tài)，確定了影響完全沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性的影響因素?；谏鲜龇治?，分析了柔?；炷翆敯鍑鷰r的作用機制，提出了柔?；炷镣耆乜站蛳锛夹g原理及工藝流程。

2)采用理論分析和數值計算方法，確定了支護體可縮量和充填體支護阻力，同時借助數值模擬軟件分析了不同寬度充填體和不同強度充填體材料對巷道穩(wěn)定性的具體影響。

3)現場工程試驗表明：距工作面煤壁300m范圍內墻體受力較大，圍巖運動較為劇烈，墻體結構保持穩(wěn)定。錨索最大受力為243kN，未出現頂板錨索破斷的顯現。巷道總體變形不大，兩幫最大收縮量100mm，頂板最大下沉量160mm。整體來看，完全沿空掘巷完整性好，巷道變形整體可控，效果良好。