近距離煤層下分層工作面沿空留巷支護技術應用研究

張 建

（霍州煤電集團汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西洪洞 041600）

1 工程概況

霍州煤電集團下屬的回坡底煤礦主要負責開采井田范圍內的10#、11#煤層，10#煤層平均厚度2.67 m，11#煤層平均厚度3.3 m，11#煤層與上層煤層間距為7.3到8.2m之間，平均為7.8m，距離較近，煤層的平均傾角均為4°，屬于近距離煤層，平均埋深220m，采用走向長壁后退式采煤工藝，頂板采用全部垮落法管理。10號煤層的采掘對下層煤巖造成了很大的影響，位于上層的10號煤層基本上已經開采殆盡，下層的11#煤層在其東部已經進入準備階段，首采工作面已經進入回采階段，11-101工作面與上分層10-101工作面巷道布置方式為11-1011巷內錯10m，11-1012巷重疊布置，11-102工作面進入準備階段，由于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，現該礦設計采用沿空留巷，但是由于沒有相關的參考實例，需要對沿空留巷的具體參數進行設計研究，在保證生產安全的前提下取得最大的經濟效益。

為滿足綜合機械化采煤設備運輸、安裝和使用要求，確保11-101工作面的軌道巷道作為11-102工作面運輸巷服務期間安全可靠，需結合10#煤層開采對工作面頂板的影響，對下分層采煤工作面沿空留巷的相關參數進行研究，同時結合我礦11-1011運輸巷支護方案，利用數值模擬、理論分析對11-1012軌道巷沿空留巷的維護支撐進行探究。

2 采空區下垂直應力分布特點

近距離煤層采用下行開采時，上層煤炭資源率先回采完畢，形成采空區，上覆巖層垮落堆積于采空區內，形成一個新的穩定結構，垂直方向上地應力作用在層間巖層上，對下層煤炭資源的采掘過程中頂底板的穩定性、完整性造成不利的影響。上層采空區邊界的實體煤柱受力情況如圖1所示[1]。

圖1 采空區邊界煤柱支承壓力示意圖

由圖可以看出，采空區邊界煤柱形成了一定程度的應力集中，應力集中系數由煤柱支承壓力最大值比上在原始條件下地應力的大小得到，煤柱支承壓力的峰值為Kγh，相關研究表明，K值一般為2～3.5之間，意味著煤柱附近，煤巖體應力為原始地應力的2到3.5倍；在遠離采空區的區域支承壓力為γh，煤巖體受到的支撐壓力與原始條件下的地應力相同，即未受到采動的影響；在采空區下支承壓力為K'γh，研究表明集中系數K'值一般在0.5～0.8之間，即采空區下碎裂的煤巖體對于層間巖層的載荷并不大，只是原始地應力的一半；由此可推知下層煤巖體地應力分布情況如圖2所示。

圖2 下層煤垂直應力分布示意圖

從圖1中可以看出下層煤體垂直應力分布特點為：上層采空區下垂直應力最小，采空區煤柱下邊垂直應力具有一定的集中載荷，在遠離采空區的位置，垂直應力為原始地應力。因此在進行下層工作面巷道的布置時應盡量避開煤柱下的應力集中區域，將巷道布置在上層煤層采空區下（應力降低區），11#煤層首采工作面的11-102巷采用重疊布置，巷道的垂直應力基本等于原始的地應力，更利于沿空留巷的維護。

3 巷旁支護

3.1 巷旁支護的理論基礎

為了合理的確定11-1012軌道巷沿空留巷的支護方案，現以回坡底煤礦11#煤層在上層采空區下開采為工程背景，利用FLAC3D軟件進行數值模擬[2]，分析11-101大采高工作面回采后，沿空留巷圍巖裂隙發育及頂板垮落運移規律。

圖3 沿空留巷巷道圍巖裂隙發育及頂板垮落規律圖

數值模擬結果如圖3所示，10#煤層的10-101工作面回采對其底板煤巖體造成一定程度的損傷破壞，10#、11#煤層平均間距為7.8m，在11-101工作面的回采時，導致層間巖層裂隙發育及損傷破壞區域完全貫通，巷道圍巖及頂板破碎相當嚴重，巷道變形量較大，圍巖難以控制，對沿空留巷頂板圍巖支護造成一定的困難。

觀測沿空留巷圍巖體的變形破碎情況可知，11-101首采工作面回采后，頂板圍巖隨之破碎垮落，層間巖層貫通10#煤層的采空區，垮落高度比一般的回采工作面大，巖體的碎脹性使采空區基本被碎裂的巖石填滿，形成穩定的結構。沿空留巷的采空區側，上部圍巖也發生了斷裂垮落，但是在錨桿、錨索及巷旁充填體的作用下仍然保持著可靠的截面形狀，圍巖和頂板基本沒有裂隙的發育，并且由于充填體的作用，避免了采空區碎裂巖塊涌入巷道，保證了巷道的安全。通過數值模擬，為沿空留巷的成功墊定了理論基礎。

3.2 巷旁支護體參數的確定

3.2.1 充填材料

中國礦業大學侯朝炯[3]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，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，并且相對于巖石、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中。以此選擇高水速凝材料作為回坡底煤礦沿空留巷支護的巷旁充填體，分析高水速凝材料本身特點，綜合考慮經濟效益、安全生產等多方面的因素，結合相關成功案例，最后將巷旁充填體的水灰比定為1.8∶1。

3.2.2 巷旁支護體寬度的確定

依據回坡底煤礦11-101工作面沿空留巷具體的工程地質條件，利用數值模擬軟件模擬了在采空區下進行沿空留巷，工作面推進過程中不同寬度的巷旁充填體對巷道圍巖變形的影響，綜合考慮工作面安全生產的需要，人員材料的成本，最終確定合理的充填體寬度。

參考以往相關的沿空留巷的工程實例，通過理論計算分析，依次模擬沿空留巷巷旁支護體寬度分別為1m、1.4m、1.8m時工作面回采時巷道變形量，對不同條件下圍巖的變形量進行對比，得到的相關數據詳見圖4。

圖4 巷道圍巖變形曲線

由巷道圍巖變形曲線可知，圖（a）為充填體變形圖，在不同寬度的充填體條件下，充填體的水平變形量最大值均在距離頂板2.1m位置附近取到，煤層厚度為3.3m，即兩幫的變形量集中在巷道的中下部；當充填體的寬度有1.0m增加到1.4m時，兩幫的變形量顯著的減小，而進一步增加到1.8m時，變形量只是略微的減小；由圖（b）頂板下沉量曲線可以看出，距離充填體越遠，頂板下沉量越小，即在實體煤位置頂板下沉量最小，說明充填體只能一定程度上減小頂板的下沉。當支護體寬度由1.0m增加為1.4m時，頂板下沉量急劇減小，繼續增加充填體寬度，下沉量變化不大。

綜合考慮在不同支護體寬度下沿空留巷巷道支護體變形量、頂板下沉量等因素，當充填體寬度為1.4m時，進行沿空留巷更加經濟合理，并且巷道斷面滿足礦山工作面正?；夭傻囊?，因此確定巷旁支護體寬度為1.4m。

4 巷道斷面收斂變形量監測與分析

通過對巷道圍巖表面位移觀測數據分析可知：在工作面回采過程中，沿空留巷實體煤幫側頂底板最大移進量為785mm，充填體側最大移進量為595mm，兩幫的最大移進量為530mm，由圖（b）可知實體煤幫側頂板最大下沉量為150mm，充填體側為250mm，即充填體側頂板下沉量要大于實煤幫側。頂底板移進量主要是底板鼓起量，而煤幫側底板鼓起量要遠遠大于充填體側底板鼓起量，大概是充填體側的1.2倍。綜上可知，沿空巷道圍巖變形量在可控范圍內，經過臥底等巷道維護修復措施后可以很好的復用，滿足下個工作面回采的需求。

圖5 巷道圍巖表面位移觀測結果圖

研究選取了巷旁支護體材料以及確定了巷旁支護體的具體參數。選擇了高水速凝材料澆筑的巷旁充填體作為巷旁支護體。確定了巷旁充填體水灰比為1.8∶1；巷旁支護體寬度為1.4m。并通過工程實踐、現場觀測證明其安全可靠。