沿空留巷充填區域直接頂加固技術的應用

王 晨

(山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 030600)

沿空留巷指的是通過適當的巷內支護及巷旁支護將回采工作面巷道保留下來為下個工作面服務，這種巷道布置方式消除了原有的區段保護煤柱，對于提高煤炭采出率、降低巷道掘進率、解決上隅角瓦斯積聚問題都有很大的幫助。沿空留巷不同于普通回采巷道，工作面回采后通常需要在采空區邊緣(充填區域)構筑一定寬度的巷旁充填體將巷道保留下來。以往關于沿空留巷技術的研究，大多強調巷內支護和巷旁支護技術，關于巷旁充填區域直接頂穩定性的研究很少，本文以新元煤礦9104輔助進風巷沿空留巷工程實踐為背景，探究巷旁充填區域直接頂加固的技術方案，以有效提高留巷頂板及幫部圍巖的穩定性。

1 工程概況

山西新元煤炭有限責任公司所屬的9104綜采工作面地表位于韓莊村以北，清平鎮以東，南燕竹以南，冀家垴村西的黃土塬、黃土峁及溝谷地帶。井下東鄰9#東膠帶大巷、9#輔運大巷，南鄰9103回風巷。上部為3#煤3204綜采工作面(已采完)、3205綜采工作面(已采完)；其他方向均未布置巷道，工作面具體位置關系見圖1. 9104工作面地面標高1 058.0～1 130.6 m，工作面標高474.4～559.8 m，埋藏深度520～650.6 m. 9#煤層厚度為1.0～4.5 m,平均厚度為3.36 m，煤層傾角為1°～5°，平均為2°. 為滿足工作面通風的要求單個工作面需要布置3條回采巷道，如9104工作面回采巷道有9104進風巷、9104輔助進風巷和9104回風巷，在以往的工作面回采完畢后，這些巷道均廢棄，這不僅造成工作面采掘接替困難，并且造成大量的資源浪費。因此，為提高回采工作面的采出率，設計將9104輔助進風巷通過巷旁充填沿空留巷作為9105工作面的輔助進風巷使用。

圖1 9104工作面采掘布置平面圖

2 充填區域直接頂穩定性分析

目前，常用的沿空留巷支護技術采用巷旁充填體對留巷頂板進行支撐，并采取適當的加固方式將巷道保留下來。充填區域直接頂是采空區構筑的巷旁充填體上方的頂板，該區域頂板反復受到工作面采動的影響，導致充填區域直接頂巖層出現強度衰減和剪脹變形，因充填體接頂不實導致直接頂下沉嚴重，最終導致留巷頂板和巷旁充填體破壞嚴重，留巷失敗。因此，充填區域頂板巖層的穩定性對于整個沿空留巷的成功起著關鍵的作用。沿空留巷模型圖見圖 2.

圖2 沿空留巷模型圖

充填區域直接頂巖層破壞的主要原因是強度衰減和剪脹變形。強度衰減是指巖層在集中應力的作用下，圍巖的強度和完整性逐漸減小，巖石的抗壓強度遠遠大于其抗剪強度，可見充填區域頂板巖層的主要破壞形式為剪脹變形。因此，設計采用加固法控制頂板的滑移剪脹變形，即通過增大充填區域直接頂在垂直方向上的約束力，提高直接頂巖層豎直方向上的承壓能力和水平方向上抵抗滑移的能力。常用的方法為：1) 采煤工作面推進后，在巷旁充填之前用錨桿對充填區域頂板進行超前加固。2) 加快巷旁充填體成型的速度，在工作面回采后，使巷旁充填體迅速的支承頂板。

充填區域直接頂回轉下沉過大將引起直接頂和基本頂離層，主要治理方法為提高充填體對頂板的支護阻力，減小無充填體階段和充填體增阻階段充填區域直接頂的回轉下沉，常用方案：1) 采用錨索超前加固充填區域上方直接頂和基本頂，將直接頂懸吊在上方的穩定巖層中，增大其回轉下沉的阻力。2) 回采工作面后方未充填區域采用單體液壓支柱進行臨時支護，減小充填施工區域頂板的空頂長度。3) 如果充填體強度過大，可能導致巷旁充填體鉆頂發生切冒事故，因此，應選取適當的巷旁充填材料，為直接頂提供適度的支撐力。

3 工程實踐

以9104輔助進風巷沿空留巷為工程背景，該巷道的凈斷面寬4.8 m×高3 m. 9104輔助進風巷沿空留巷圍巖控制技術主要包括巷內基本支護、巷內加強支護、充填體設計以及充填區域頂底加固技術。考慮到9104輔助進風巷在留巷期間巷旁充填體的位移及使用的需求，將留巷斷面設計為寬5.2 m×高3 m. 巷旁充填體材料選用水灰比為1.5∶1的高水材料，充填體寬度為2.0 m，安裝對拉錨桿進行加固，間排距為750 mm×800 mm.

3.1 9104輔助進風巷巷內基本支護和加強支護

1) 頂板支護。

基本支護：錨桿為d20 mm×2 400 mm 的左旋無縱肋螺旋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，中部5根錨桿垂直頂板安裝，兩側錨桿分別向兩側傾斜15°安裝，每排共7根錨桿。錨索為d17.8 mm×8 300 mm的1×7預應力鋼絞線，錨索均垂直頂板安裝，間排距為1 600 mm×1 600 mm，每排布置兩根錨索。錨索與錨桿之間通過W型鋼帶連接，同時鋪設由10#鐵絲加工的長5 000 mm×寬800 mm的菱形金屬網。錨桿錨固劑為d23 mm×800 mm超快速樹脂藥卷，錨索錨固劑為d23 mm×1 200 mm雙速樹脂藥卷，每個錨桿錨索均配備一支錨固劑。沿空留巷期間巷內加強支護：超前工作面200 m安裝d21.6 mm×8 300 mm的1×7 預應力鋼絞線錨索，間排距為1 750 mm×1 600 mm，每排布置3根錨索，并且在原有的兩根錨索間補打一根錨索。錨固劑采用一支CK2350和兩支 Z2350 樹脂錨固劑，預緊力為200 kN.

2) 兩幫支護。

基本支護：錨桿為d20 mm×2 400 mm 的左旋無縱肋螺旋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，每排兩根錨桿均垂直煤壁安裝，錨固劑為一支d23 mm×800 mm超快速樹脂藥卷，并且在兩幫鋪設菱形金屬網進行加固。實煤體幫補強支護：原支護每排錨桿對應位置距離巷道底板300 mm處補打一根向下傾斜15°的底角錨桿，錨桿型號不變。每兩排錨桿補打一排d21.6 mm×4 300 mm鋼絞線錨索，間排距為1 600 mm×1 600 mm，每排兩根錨索，靠近頂板的錨索與頂板距離為800 mm. 補打錨桿錨固劑為CK2350、Z2350各一支，預緊力為80 kN，錨索錨固劑為一支CK2350和兩支Z2350樹脂錨固劑，預緊力為200 kN. 9104輔助進風巷基本支護及留巷期間加強支護布置圖見圖3a).

3) 留巷期間巷內臨時加強支護。

工作面回采后，滯后充填體施工處約100 m范圍內采用單體支柱及π型梁加強頂板的支護，一個布置3排單體支柱，支柱的間排距為1 500 mm×1 600 mm，具體的布置情況見圖3b).

圖3 9104輔助進風巷支護系統布置圖

3.2 充填區域直接頂穩定控制技術

回采工作面每推進1刀(0.8 m)，在沒有進行充填的區域頂板安裝一排d20 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，每排4根錨桿，間排距均為800 mm，距離采空區側最近的錨桿向采空區側傾斜15°，其余的垂直頂板安裝。每兩排錨桿間安裝一排d21.6 mm×8 300 mm錨索，間排距為1 200 mm×1 600 mm，鋪設塑料網配合由d14 mm的圓鋼加工成的鋼筋梯子梁進行加固。為了減小充填區域直接頂的回轉下沉，在待充填區域布置兩架 ZZC8300/22/35 型四柱支撐掩護式擋矸支架，9104輔助進風巷充填區域頂板圍巖情況見圖4.

圖4 9104輔助進風巷充填區域頂板加固圖

圖5 留巷圍巖變形及充填體載荷變化圖

4 應用效果分析

在9104工作面回采期間對9104輔助進風巷圍巖變形情況進行觀測，結果見圖5a). 由圖5a)可知，9104輔助進風巷留巷后，其圍巖的變形量隨著滯后回采工作面距離的增大逐漸增加，并逐漸趨于穩定。頂板最大下沉量約為268 mm，底板最大底鼓量約為468 mm，實煤體幫最大位移量為539 mm，充填體幫最大移進量為108 mm，巷道整體變形量較小，能夠滿足作為9105工作面輔助進風巷的斷面要求。

為了驗證充填區域直接頂加固的效果，在9104輔助進風巷留巷期間監測直接頂與充填體之間的載荷，見圖5b)，充填體承受的載荷在工作面后方90～100 m達到最大值12.69 MPa，之后逐漸減小，在150 m后穩定在9.86 MPa左右。由此可知，通過對充填區域直接頂的加固不僅能夠提高留巷直接頂的穩定性，并且能夠減小巷旁充填體所承受的載荷，減小其位移和變形。綜上可知，采用充填區域直接頂分區域動態加固穩定控制技術后，留巷期間巷道圍巖的變形得到有效地控制。

5 結論和建議

通過理論分析得知，充填區域頂板巖層的穩定性對于整個沿空留巷的成功起著非常關鍵的作用，由此提出了以減小充填區域直接頂巖層的強度衰減和剪脹變形為基礎的支護理念，應用錨桿錨索、充填體及四柱支撐掩護式擋矸支架對充填區域頂板圍巖進行控制，現場應用及監測結果表明，該技術有效地控制了巷道直接頂的回轉下沉，留巷期間圍巖的位移量控制在合理的范圍內，充填體與直接頂間載荷穩定在9.86 MPa，充填體的支撐能力仍有富余，避免了直接頂與基本頂間的離層，最終取得了良好的留巷圍巖控制效果。