高瓦斯工作面沿空留巷圍巖控制機理及其工程應用

孟慶安

（山西保利鐵新煤業有限公司，山西 臨汾 031302）

近年來，隨著煤炭產量與采出效率大幅提高，工作面上隅角瓦斯積聚問題愈發突出，已成為限制高瓦斯礦井安全生產的重要影響因素[1-3]。相比傳統“U”或“U+L”通風方式，通過沿空留巷技術實現工作面“Y”型通風（兩進一回）方式，可顯著優化工作面瓦斯流動方向，允許新鮮風流以較高速度不斷沖刷上隅角等瓦斯易積聚區域，從而極大緩解瓦斯超限問題，因此，沿空留巷技術已在我國高瓦斯礦井中大范圍推廣使用[4-5]。大量研究表明，沿空留巷技術成敗的關鍵在于能否實現沿空巷道圍巖特別是充填墻體的穩定性控制[6]，當前國內外專家學者在沿空巷道充填墻體設計方面做了大量卓有成效的研究[7-13]。但實質上，由于煤礦地質生產條件的差異性和復雜性，沿空留巷覆巖破斷結構及圍巖運動型式、煤巖體應力應變特性等均表現出了較大的差異性，且現有文獻中基于覆巖破斷特征和運動型式揭示沿空留巷圍巖變形與控制機理方面的研究尚較少。結合鐵新煤業7828工作面具體地質生產條件，開展沿空留巷關鍵技術研究，首先分析采空區上覆巖層結構及其運動特點，據此確定沿空巷道圍巖控制機理；然后結合試驗工作面地質生產條件，確定沿空留巷巷旁充填墻體材料和支護、巷內支護、加強支護等具體控制參數；通過對巷道變形情況和風阻變化情況實時監測，評價了沿空巷道圍巖控制和通風效果，研究成果對于類似礦井沿空留巷工程具有借鑒意義。

1 工程概況

試驗工作面主采7#煤層，平均埋深500 m；直接頂為2.4 m厚的泥巖，灰黑色，堅硬性脆，節理發育含黃鐵礦結核，f＝3；基本頂為10.5 m厚細砂巖，深灰色，堅硬，水平層理發育，f＝5；底板為1.3 m厚粉砂巖，含植物化石，f＝4；基本底為5.5 m厚中砂巖，堅硬性脆，f＝6。

為解決以往“U”通風方式下存在的上隅角及回采巷道瓦斯超限問題，擬在7828工作面開展沿空留巷現場工業性試驗，7828工作面走向長度800 m，傾斜長度60 m，沿空留巷采掘布置示意圖如圖1。擬采用由7828運輸平巷（進風）、7828回風平巷（進風）與沿空留巷（回風）組成的“兩進一回”式通風系統。

2 沿空留巷覆巖運動特征及其控制機理

2.1 沿空留巷覆巖結構及其運動特征

研究表明，沿空留巷圍巖應力場、位移場及塑性破壞范圍特征與覆巖大結構運動形式及其形成的空間結構密切相關，要實現沿空留巷圍巖長期穩定，沿空巷道支護體特性應與覆巖運動規律相適應，沿空留巷覆巖運動過程可描述如下[7]：①隨著工作面向前推進，直接頂首先垮落，然后基本頂開始彎曲下沉，當彎曲下沉到一定程度，基本頂將于實體煤上方發生破斷并向采空區方向加速回轉，直至基本頂觸矸為止；②隨著基本頂不斷向采空區方向回轉下沉，采空區垮落矸石逐漸被壓實，其對頂板巖層提供的支護阻力亦隨之增大，直至支護阻力與頂板壓力達到平衡狀態，基本頂回轉運動結束。最終形成的沿空留巷上覆巖層結構如圖2，其中塊體B對于沿空留巷圍巖穩定性具有重要影響，其沿水平方向受到塊體A與塊體C夾持力保持平衡，沿鉛錘方向受到充填墻體、采空區垮落矸石與實體煤幫的支撐力保持平衡。

2.2 沿空留巷圍巖控制機理

根據上述沿空留巷覆巖結構運動特征，結合7828工作面具體地質生產條件，提出以下的沿空留巷圍巖控制機理[2]。

1）高預應力錨桿/索支護。對于試驗巷道而言，其兩幫煤體和頂板巖層強度均較低，裂隙極為發育，受關鍵塊B破斷及大幅回轉運動影響，沿空留巷圍巖極易發生破裂失穩，并產生強烈擠壓大變形，因此，有必要采用高預應力錨桿進行基本支護，保證圍巖整體性和完整性；考慮到沿空留巷服務周期長、受多次劇烈采動影響，對圍巖進行錨索加固可進一步提高圍巖整體承載能力，保障圍巖整體性和長期穩定。

2）早強、快速增阻、可縮性的充填墻體支護。充填墻體是沿空留巷的重要組成結構，其能否保持穩定是沿空留巷成敗的關鍵，根據留空巷道覆巖運動特征可知，初期關鍵塊B運動較為活躍、下沉量較大，此階段充填墻體應具有較高的強度和快速增阻的特性，以便墻體短時間內達到較高的支護阻力，增加與頂板運動在時間和空間上的適應性；后期關鍵塊B將發生大幅度的傾斜回轉運動，對留巷圍巖產生較大的偏斜擠壓力，此階段充填墻體應具備一定可縮性適應頂板大幅回轉運動，實現頂板壓力向采空區垮落矸石的轉移，實現沿空巷道圍巖穩定。

3）高強巷旁支護。關鍵塊B回轉下沉運動對留巷圍巖產生的壓力是巨大的，僅僅依賴實體煤幫與充填墻體是無法保證巷道穩定的，因此，需要通過承載能力高、抗彎性能強、塑性和韌性好的巷旁支護措施增強對頂板巖層的支撐能力，抵抗覆巖劇烈運動產生的動壓影響，保障劇烈采動影響下沿空留巷具有充足的巷道斷面滿足通風需求。

3 沿空留巷圍巖控制關鍵技術

3.1 充填墻體設計

3.1.1 充填材料確定

目前較為常用的沿空留巷充填墻體澆筑材料主要有高水材料、膏體材料、混凝土材料等[9]。結合礦方現有條件，選擇高水材料作為墻體構筑材料，其由甲、乙2種原料構成，按質量比1∶1配合，含水率可達86%～90%，通過室內實驗得到的各齡期強度見表1。由表1可知，高水材料7 d強度即達15 MPa，28 d強度達到25 MPa，7 d強度約為最終強度的60%，表明其具有凝固速度快、早期強度高的特點，可滿足現場工程需求。

表1 各齡期高水材料抗壓強度 MPa

3.1.2 充填墻體寬度確定

為確定合理充填墻體寬度，采用FLAC3D數值模擬軟件分析不同墻體寬度下沿空巷道圍巖應力位移分布特征。不同墻體寬度下圍巖應力分布如圖3，由圖3可知，充填墻體內垂直應力呈倒“U”型分布特征，隨著墻體寬度增大，峰值應力呈不同幅度增大：墻體寬度由1.0 m增大至2.0 m過程中，峰值應力增長緩慢且應力值小于4.5 MPa，表明充填墻體承載能力較小；墻體寬度由2.0 m增大至3.5 m過程中，峰值應力增大幅度明顯增加，表明墻體承載能力明顯增大。

圖3 不同充填墻體寬度下應力分布曲線

不同墻體寬度下圍巖變形如圖4。由圖4可知，當墻體寬度由1.0 m增長至2.0 m過程中，巷道圍巖變形顯著降低，但此時巷道殘余斷面為7.8～8.9 m2，不能滿足正常通風需要；當墻體寬度超過2.0 m時，巷道變形緩慢降低并逐漸趨于穩定，巷道殘余斷面大于9 m2，可保證正常通風需要。此外，巷道最大變形出現在頂板部位，充填墻體變形次之，底板和實體煤幫變形最小，因此，在巷道支護設計過程中應加強對巷道頂板和充填墻體支護。

圖4 不同充填墻體寬度下圍巖變形曲線

墻體寬度2.5 m時，沿空留巷圍巖頂板變形量為469 mm，底板變形量為296 mm，實體煤幫變形量為312 mm，充填墻體變形為389 mm，巷道變形在合理范圍內，可滿足巷道通風需求。

綜合上述模擬結果，考慮到不同墻體寬度下沿空巷道圍巖應力與位移分布特征，當墻體寬度2.5 m時，可保證充填墻體較高的承載能力，同時巷道具有足夠的巷道斷面面積滿足通風需求。

3.2 沿空留巷圍巖支護方案

為了保證沿空留巷圍巖長期穩定，結合相關理論和工程實踐，確定沿空留巷斷面5 600 mm×3 400 mm，具體支護方案如下。

1）頂板支護。頂板選用直徑20 mm螺紋鋼高強錨桿，長度2 500 mm，錨桿間排距為850 mm×900 mm，使用1卷Z2335和1卷Z2360錨固，錨桿預緊力不低于80 kN，靠兩幫錨桿向外側傾斜15°，錨桿采用鋼筋梯子梁連接；錨索選用φ19.8 mm×7 300 mm的鋼絞線，間排距為1 400 mm×2 700 mm，使用1卷Z2335和2卷Z2360錨固，錨索預緊力不低于120 kN，相鄰錨索選用槽鋼連接。

2）實體煤幫支護。實體煤幫選用直徑18 mm螺紋鋼高強錨桿，長度2 000 mm，錨桿間排距為900 mm×900 mm，使用1卷Z2335和1卷Z2360錨固，錨桿預緊力不低于80 kN，靠頂底板錨桿向外側傾斜15°，相鄰錨桿采用鋼筋梯子梁連接。

3）充填墻體支護。充填墻體高度為2 100 mm，寬度2 500 mm，為防止其在頂板壓力下發生壓縮變形，采用錨栓進行對穿加固，錨栓選用直徑為18 mm螺紋鋼，間排距為700 mm×900 mm。

4）巷旁加強支護。在工作面前方20 m范圍及滯后5～30 m范圍內，架設由1.2 m鉸接頂梁及單體液壓支柱組成的走向梁進行加強支護。7828沿空留巷支護方案如圖5。

圖5 7828沿空留巷支護方案

4 工程效果分析

巷道表面位移是反映巷道圍巖穩定狀況的綜合指標。沿空留巷施工完成后，隨著工作面的向前推進，巷道圍巖發生變形和移動，現場觀測到的沿空留巷頂底板與兩幫位移變化曲線如圖6。

圖6 7828沿空留巷圍巖變形曲線

由圖6可知，頂底板移近量、兩幫移近量在工作面推過后即開始較大幅度增長，直至工作面推過50 m后，巷道變形才逐漸趨于平緩，頂底板移近量達到475 mm，兩幫移近量達到410 mm；之后，巷道變形趨于緩慢增長，直至保持基本恒定，工作面推過120 m后，頂底板最大移近量達到521 mm，兩幫最大移近量達到443 mm，巷道變形在合理范圍內，可以滿足巷道通風需求。

5 結論

1）沿空留巷圍巖應力場、位移場及塑性破壞與覆巖運動特征密切相關，根據沿空留巷覆巖活動規律，確定沿空留巷圍巖控制應選擇高預應力錨桿（索）支護，早強、快速增阻、可縮性的充填墻體及高強巷旁支護措施。

2）選用高水材料構筑充填墻體，7 d強度達到15 MPa，28 d強度達到25 MPa，具有凝固速度快、早期強度高的特點。

3）數值模擬結果表明，當墻體寬度超過2.0 m時，充填墻體具有足夠承載能力且圍巖整體變形趨于穩定，巷道斷面面積大于9 m2，滿足通風需求，據此確定合理充填墻體寬度為2.5 m。

4）現場監測結果表明，7828沿空留巷頂底板最大位移為521 mm，兩幫最大位移為443 mm，巷道變形在合理范圍內，巷道各區段風阻合理。