復合頂板條件下沿空留巷圍巖控制技術研究與應用

白志強

（山西潞安集團蒲縣黑龍煤業有限公司，山西 蒲縣 041200）

1 工程概況

潞安黑龍煤業1103 工作面所屬的2#煤層位于山西組中下部，平均埋深210m，下距9#煤層間距為72.45~106.45m，平均86.45m。2#煤層厚0.9~1.45m，平均1.35m，不含夾矸，屬薄～中厚煤層，煤層傾角0~20°，煤層結構簡單，層位穩定，煤層頂板局部有一層偽頂約300~500mm，強度和穩定性較差。1103 工作面緊鄰1101 工作面，沿煤層傾向布置，運輸順槽開口于2#煤層運輸大巷，設計長度為531.4m；回風順槽開口于2 號煤層運輸大巷，設計長度為537.3m；切眼連接運輸順槽與回風順槽，設計長度為150m。

設計將1103 運輸順槽沿空留巷后作為1105 工作面回風順槽使用，為保證留巷穩定，在1105 工作面切眼后方多留20m 巷道，即設計1103 運輸順槽留巷長度為325m。留巷區域見圖1。沿空留巷可以最大限度回收資源，避免煤體損失，提高煤炭采出率，但由于該礦沒有可供參考的留巷經驗和參考實例，需要對沿空留巷的具體參數進行相關研究，在保證生產安全的前提下取得最大的經濟效益。

圖1 沿空留巷區域示意圖

2 高水材料巷旁充填沿空留巷技術

2.1 充填材料

中國礦業大學侯朝炯[1-2]等人基于對沿空留巷圍巖受力分析，并結合傳統巷旁支護的特點，研發了一種新的充填材料，即高水速凝材料。該材料通常由兩種漿料組成，單獨的漿液不會固化，在需要充填的位置進行混合、快速凝固。高水速凝材料具有便于運輸、節省材料等優點，并且能承受較大的載荷。當載荷超出其承載的極限時，也不會立即失效，仍然擁有相當一部分殘余強度和緩沖的能力，相對于巖石、混凝土等材料具有更長的使用期限，諸多特點使其相比于其他材料更適合用于采空區下巷道的沿空留巷。因此選擇高水速凝材料作為黑龍煤業1103 工作面運輸順槽沿空留巷支護的巷旁充填體，綜合考慮經濟效益、安全生產等多方面的因素，將巷旁充填體的水灰比定為1.8:1。

2.2 巷旁充填體寬度設計

巷旁充填體的強度、穩定性除了與充填體的材料有關，另一個非常重要的因素就是巷旁充填體的充填寬度。在確定充填體寬度時，要考慮充填體能夠支撐巷道頂板圍巖最小的寬度，即以頂板巖層達到危險狀況的斷面為截面，得到彈性基礎梁模型[3]。巷旁支護體與頂板相互作用的力學模型如圖2 所示。

圖2 沿空留巷力學模型

巷道頂板的力學模型，用極限平衡法分別建立巖塊AB、BC 的力學方程。BC 巖塊，垂直于傾角α方向受力平衡，得：

平行于α方向受力平衡，得：

以B點扭矩為0，得：

AB 巖塊以A 點為支點，扭矩為0 可得：

式中：

α-煤層傾角；

c-留巷寬度；

d-充填體寬度；

h-煤層基本頂厚度；

Pq-巷旁支護體的切頂阻力；

ML-頂板巖層極限彎矩；

M0-A 點巖層殘余彎矩；

q-頂板巖層的平均容重；

q0-直接頂自重；

△SC-基本頂垮落前B 端的下沉量，其計算式為：

其中：

e-BC 巖塊的長度，其計算式為：

其中：

b-基本頂來壓步距；

Lm-工作面長度。

根據黑龍煤業1103 工作面運輸順槽地質條件、鄰近工作面開采情況，詳細參數取值如下：煤層厚度為1.35m，工作面傾斜長度150m，周期來壓步距18.0m，工作面平均埋深210m，基本頂厚度為3.41m，直接頂厚度1.09m，巷道寬度4.0m，上覆巖層容重為27kN/m3，基本頂巖層抗拉強度1.7MPa，煤體粘聚力為3MPa，內摩擦角30o，煤層傾角10°，將上述參數代入式（6），得到1103 工作面運輸順槽充填體的切頂阻力為8.15MN/m。

黑龍煤業1103 運輸順槽為首次進行高水材料沿空留巷，為保證充填體的切頂效果，提高其整體穩定性并保證采空區隔離效果，取安全系數1.2，當高水材料水灰比為1.8:1 時，則所需的充填體寬度理論計算值為1.135m。故確定1103 運輸順槽高水充填材料沿空留巷頂板條件較好時巷旁充填體寬度為1.2m，充填墻體置于工作面后方采空區煤層底板臺階上，內錯煤層底板臺階邊緣0.4m。考慮到工作面煤層頂板局部有一層300~500mm 偽頂，當頂板遇偽頂或頂板條件不好時，根據現場情況調節充填體高度，高度增高，因此沿空留巷巷旁充填體寬度確定為1.4m。

3 1103運輸順槽支護方案

（1）補強加固

1103 工作面運輸順槽掘巷時未考慮后期留巷，支護強度偏低，預計達不到留巷的需求，需對其留巷段巷道進行補強支護。補強支護應超前工作面60m 左右，具體措施如下：從留巷開始到留巷結束，在原兩排頂板錨桿中間未打錨索位置補打一排2 根錨索，錨索型號Φ17.8×6300mm，靠采煤幫錨索距其300mm，然后間距900mm、1600mm 依次各打一根錨索，錨索用Ф16mm 圓鋼焊制的規格2700×60mm 鋼筋梯子梁相連。非采煤幫在原兩排錨桿中間補打一排2 根錨桿，間排距1000×1000mm，錨桿采用Ф18×L2000mm螺紋鋼錨桿，上面一根錨桿距頂板550mm，下面一根距底板750mm，錨桿用Ф14mm 圓鋼焊制的規格1200×60mm 鋼筋梯子梁相連。錨索托盤采用300mm×300mm×16mm 的碟形托盤，錨桿托盤采用150mm×150mm×10mm 的碟形托盤，頂錨索預緊力不小于250kN，錨桿預緊扭矩不小于300N?m。留巷開始到結束補強支護方案見圖3 所示。

（2）充填體加強支護技術與方案

對于巷旁充填體的合理加固，能夠很大程度上提高充填體的穩定性和支撐能力，因此根據實際條件及以往的生產經驗采取如下的加固方式：

① 當頂板條件較好時，巷旁充填體高度為1.35m，采用對拉錨桿進行加強支護，錨桿間排距為0.9×0.8m，與頂底板距離分別為0.25m、0.2m。錨桿采用直徑為22mm 的螺紋鋼錨桿，鋼筋梯子梁采用直徑為14mm 的圓鋼焊接而成，采用碟形托盤,型號：120mm×120mm×10mm；鋼筋網所用鋼筋直徑為6.5mm，使用12#鐵絲雙股聯網，鋼筋網搭接部分不小于100mm。支護的詳細情況如圖4（a）所示。

圖3 1103工作面運輸順槽補強支護圖

② 當頂板遇偽頂或頂板條件不好時，充填體的高度為1.85m，對拉錨桿間排距調整為0.8×0.8m，每排3 根錨桿，與頂底板間距分別為0.15m、0.1m。此時充填體加固圖如圖4（b）所示。

圖4 頂板充填體加強支護布置圖

4 巷道斷面收斂變形量監測與分析

（1）一次采動影響

在1103 工作面回采期間，對巷道圍巖的變形及錨桿受力情況進行觀測，結果如圖5 所示。由圖5（a）可知，運輸順槽兩幫最大移進量為785mm，充填體頂板最大下沉量595mm，實體煤側頂板最大下沉量為530mm，整體上來說沿空巷道圍巖變形量在可控范圍內，經過維護修復后可以很好的復用；由圖5（b）可知，頂板錨桿受力最大約為85.0kN，幫錨桿最大為65.0kN，工作面采后80.0m 范圍內，頂板和煤幫處錨桿受力均小于其破斷極限，說明錨桿工作狀態正常，對巷道圍巖的控制起非常重要的作用。

圖5 巷道變形及錨桿受力觀測結果圖

（2）二次采動影響

在工作面回采后對1103 工作面運輸順槽進行了維護，恢復了斷面，在1105 工作面回采期間對留巷的圍巖位移量進行觀測，整理后得到圖6 所示結果。1105 工作面回采過程中，超前工作面100m巷道圍巖的位移開始增加，巷道兩幫最大移進量為810mm，實體煤幫側頂底板最大移進量為260mm，充填體側頂底板最大移進量550mm，巷道圍巖整體上穩定性較好，能夠滿足工作面生產的需求。

圖6 巷道圍巖位移監測結果圖

5 結論

通過理論分析、數值計算確定了巷旁充填體的參數，選擇高水速凝材料澆筑的巷旁充填體作為巷旁支護體，確定充填體的寬度為1.4m；對沿空巷道頂板及充填體進行支護加固，在1103 工作面回采期間對巷道圍巖位移及錨桿受力進行監測，并在1105工作面回采期間對留巷的圍巖位移情況進行觀測，證明取得了很好的應用效果。