綜采面無煤柱沿空留巷充填體承載特性及穩定性分析

姚 健

（山西煤炭進出口集團科學技術研究院有限公司，山西 太原 030006）

沿空留巷技術相比較留設煤柱維護巷道而言，不但能夠保證工作面瓦斯含量安全，而且可以提高煤炭采出率及有效地控制巷道穩定[1-3]。由于之前采用的巷旁支護技術存在局限性，難以適應沿空留巷圍巖變形，因此高水材料進入人們的視野。高水材料因具有增阻速度快、支護阻力大、適量可縮等優點，近年來被越來越多地應用于沿空留巷[4]。

現階段，許多研究學者針對沿空留巷支護技術進行了大量研究，但對于高水材料充填體的特性及力學作用機理還少有研究，而高水材料巷旁支護是保證沿空留巷成功的關鍵，因此需進一步深入研究。

1 工程概況

1.1 礦井概況

凌志達煤業礦井生產能力為150萬t/a，隨著礦井生產效率的不斷提高，傳統的留設寬煤柱進行護巷已不適應具體工作面需求，急需進行無煤柱沿空留巷技術研究。目前，礦井設計中工作面區段保護煤柱寬度為20m，不僅造成了大量的煤炭資源損失，降低了煤炭采出率，同時，下區段工作面回采期間采空側回采巷道維護量大，給礦井安全高效生產帶來安全隱患。因此，凌志達煤礦擬結合15210工作面煤層、頂底板力學性質和采、掘等生產地質條件，進行無煤柱沿空留巷技術研究。沿空留巷示意圖如圖1所示。

圖1 沿空留巷示意圖

1.2 工作面條件

15210工作面所采煤層為15號煤層，屬結構簡單-復雜近水平中厚煤層。15210工作面煤層厚度在4～4.5m之間，平均4.28m，煤層傾角3～6°。煤層直接頂為平均厚度0.7m的泥巖和平均厚度1.1m的14#煤，據巷道掘進揭露的情況，大多數直接頂缺失，15#煤上方多為堅硬的K2灰巖，其平均厚度為6.02m，見表1。15210工作面位于二采區南部，其東部為15208工作面，西部為實體煤，南部為井田邊界，北部為東翼回風大巷，蓋山厚度195～300m，平均埋藏深度260.5m。15210工作面長度200m，回風順槽（輔助進風順槽）設計長度1890m。

表1 煤層頂底板情況表

2 高水材料巷旁充填沿空留巷技術

相比較矸石沿空留巷技術和柔模混凝土沿空留巷技術，高水材料沿空留巷技術具有以下優勢[5]：

（1）工藝系統簡單，初期投資少

高水材料沿空留巷技術所需要購置的主要設備僅為攪拌桶和雙液泵及相應尺寸的管路，工藝系統非常簡單，設備初期投資很少。

（2）可長距離輸送，機械化程度高

高水材料沿空留巷工藝用水量大，漿液流動性好，易于通過管路泵送，單漿液長時間內不凝結，能夠實現長距離泵送運輸，很好地適應復雜的井下生產環境，相比較其他沿空留巷方法，生產效率高。

（3）減少礦井水處理和排放的相關費用，符合國家節能減排優惠政策

高水材料沿空留巷技術能夠大量利用礦井水，減少了礦井水處理與排放及其相關費用，同時又能夠提高煤炭資源回收率。

（4）充填體能適應頂板下沉，保持留巷的整體穩定性

高水材料充填體初期支護阻力大，增阻速度快，恒阻性能好，與頂板接觸效果好，能夠適應頂板下沉而讓壓，并且充填體中置入的錨栓的作用使得充填體整體支護穩定性好。因此，高水材料充填體能夠滿足巷旁支護控制頂板和切頂的要求。

（5）有效將留巷巷道與采空區隔離，提高礦井生產安全性

高水材料充填體能夠很好地把采空區與巷道隔離開，能有效防止瓦斯爆炸和火災，從而提高礦井開采的安全性。

3 巷旁充填體力學分析及支護參數選取

3.1 充填體切頂沿空留巷力學模型

由采場礦壓理論可以得知，沿空留巷頂板可以看作為彈性薄板，直接頂上的壓力P=Ky（K為墊層系數，y為基本頂巖層的豎向變形量）。在沿空留巷圍巖條件中，選取頂板達到危險狀態時的截面，建立力學模型[5]如圖2所示。由于巷旁支護阻力遠遠大于巷內支護阻力，因此巷內支護阻力忽略不計。

圖2 沿空留巷力學模型

將模型進一步簡化，可知擠壓力TC為：

式中：

h-AC巖塊的厚度；

L-AC巖塊的長度；

△SC-AC巖塊被切斷時C端的下沉量；

q-巖塊單位長度自重；

α-煤層傾角，取4°。

沿空留巷下側煤體支承壓力σy和應力極限平衡區寬度x0計算式為：

式中：

A-側壓系數；

H-開采深度；

Px-支架對煤幫的支護阻力；

γ-上覆巖層平均容重；

M-采高；

C0、φ0-粘聚力及內摩擦角；

k-應力集中系數。

3.2 充填體切頂巷旁支護阻力計算

根據前文建立的力學模型，可對兩巖塊建立平衡方程。

BC巖塊，傾角α的垂直方向，∑Fn=0，得：

傾角α的平行方向，∑Fs=0，得：

∑MB=0，得：

AB巖塊，∑MA=0，得

式中：

ML-基本頂極限彎矩；

q0-直接頂單位長度自重；

d-巷旁支護體寬度；

c-巷道寬度；

h-基本頂巖層厚度；

Pq-切頂阻力；

M0-A端基本頂的殘余彎矩；

△SB-基本頂垮落前B端的下沉量，其計算式為：

BC巖塊長度，其計算式為：

式中：

b-基本頂來壓步距，m；

Lm-工作面長度，m。

根據15210工作面生產地質條件，工作面長度200m，煤層開采厚度平均為4.3m，巷道最大埋深300m，來壓步距為25m，基本頂厚度6.8m，直接頂厚度1.8m，留巷后巷道寬度5.0m，充填體寬度2.5m，上覆巖層容重為25kN/m3，應力集中系數為2.0，側壓系數取為0.4，煤層粘聚力為2.0MPa，煤層與頂底板摩擦角25°，基本頂巖層抗拉強度為8.0MPa，煤幫支護阻力為0.1MPa，煤層傾角平均4°，將上述參數代入公式（7）得到15210工作面回風順槽充填體的切頂阻力為2265kN/m。

4 高水材料巷旁充填體參數設計

通過上述分析計算，確定凌志達煤礦15210工作面回風順槽沿空留巷采用高水材料凈漿充填，同時采用淺孔定向爆破輔助切頂。高水材料的水灰比為1.5:1，其抗壓強度按10MPa考慮，則所需的充填體寬度理論計算值為2.27m。

在切頂的前提下，考慮適當的富余系數后，當端頭采高不超過4.0m時，初步設計巷旁充填體寬度為2.5m，充填體全部位于采空區內，并對充填體進行加固，具體設計如下：

在充填體內布置Ф22mm的螺紋鋼對拉錨桿，對拉錨桿間排距為1000×800mm，最上面1根距頂板500mm，最下面1根距底板500mm。采用Ф14mm圓鋼焊制的鋼筋梯子梁，配套使用120mm×120mm×10mm的托盤。鋼筋網要求使用直徑為6.5mm的鋼筋加工，使用12#鐵絲雙股聯網，鋼筋網搭接部分不小于100mm，加固示意圖見圖3。

5 工業試驗

工作面回采后，15210工作面回風順槽保留作為下一個工作面順槽使用，在工作面回采及留巷期間，頂板活動強烈。實踐表明，沿空留巷頂板活動強烈的范圍在工作面后方100～120m范圍內，故15210工作面后方120m范圍內需要采用單體液壓支柱加強支護。為了保持頂板完整性，在液壓支架后方進行充填區域頂板錨網索支護。

凌志達煤礦15210工作面采用高水材料充填體支護技術，留巷穩定后，頂底板移近量穩定在76mm，兩幫變形量穩定在94m，保證了沿空巷道的安全穩定，能夠滿足下一個工作面回采要求。

圖3 充填體加固示意圖

6 結語

針對現階段堅硬頂板大采高工作面沿空留巷采用高水材料充填技術等問題，結合凌志達煤礦15210工作面具體地質賦存條件，分析了現階段高水充填材料的優點與巷旁充填體作用機理，建立了充填體切頂力學模型，分析了充填體支護強度影響因素，確定15210工作面沿空留巷充填體切頂阻力與充填方案參數，取得了良好的應用效果。