近距離煤層下分層工作面沿空留巷支護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究

張 建

（霍州煤電集團(tuán)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(tuán)下屬的回坡底煤礦主要負(fù)責(zé)開采井田范圍內(nèi)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(zhǎng)壁后退式采煤工藝，頂板采用全部垮落法管理。10號(hào)煤層的采掘?qū)ο聦用簬r造成了很大的影響，位于上層的10號(hào)煤層基本上已經(jīng)開采殆盡，下層的11#煤層在其東部已經(jīng)進(jìn)入準(zhǔn)備階段，首采工作面已經(jīng)進(jìn)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(nèi)錯(cuò)10m，11-1012巷重疊布置，11-102工作面進(jìn)入準(zhǔn)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(xiàn)該礦設(shè)計(jì)采用沿空留巷，但是由于沒有相關(guān)的參考實(shí)例，需要對(duì)沿空留巷的具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，在保證生產(chǎn)安全的前提下取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

為滿足綜合機(jī)械化采煤設(shè)備運(yùn)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(yùn)輸巷服務(wù)期間安全可靠，需結(jié)合10#煤層開采對(duì)工作面頂板的影響，對(duì)下分層采煤工作面沿空留巷的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行研究，同時(shí)結(jié)合我礦11-1011運(yùn)輸巷支護(hù)方案，利用數(shù)值模擬、理論分析對(duì)11-1012軌道巷沿空留巷的維護(hù)支撐進(jìn)行探究。

2 采空區(qū)下垂直應(yīng)力分布特點(diǎn)

近距離煤層采用下行開采時(shí)，上層煤炭資源率先回采完畢，形成采空區(qū)，上覆巖層垮落堆積于采空區(qū)內(nèi)，形成一個(gè)新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，垂直方向上地應(yīng)力作用在層間巖層上，對(duì)下層煤炭資源的采掘過程中頂?shù)装宓姆€(wěn)定性、完整性造成不利的影響。上層采空區(qū)邊界的實(shí)體煤柱受力情況如圖1所示[1]。

圖1 采空區(qū)邊界煤柱支承壓力示意圖

由圖可以看出，采空區(qū)邊界煤柱形成了一定程度的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)由煤柱支承壓力最大值比上在原始條件下地應(yīng)力的大小得到，煤柱支承壓力的峰值為Kγh，相關(guān)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(yīng)力為原始地應(yīng)力的2到3.5倍；在遠(yuǎn)離采空區(qū)的區(qū)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(yīng)力相同，即未受到采動(dòng)的影響；在采空區(qū)下支承壓力為K'γh，研究表明集中系數(shù)K'值一般在0.5～0.8之間，即采空區(qū)下碎裂的煤巖體對(duì)于層間巖層的載荷并不大，只是原始地應(yīng)力的一半；由此可推知下層煤巖體地應(yīng)力分布情況如圖2所示。

圖2 下層煤垂直應(yīng)力分布示意圖

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

3 巷旁支護(hù)

3.1 巷旁支護(hù)的理論基礎(chǔ)

為了合理的確定11-1012軌道巷沿空留巷的支護(hù)方案，現(xiàn)以回坡底煤礦11#煤層在上層采空區(qū)下開采為工程背景，利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)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(fā)育及頂板垮落運(yùn)移規(guī)律。

圖3 沿空留巷巷道圍巖裂隙發(fā)育及頂板垮落規(guī)律圖

數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示，10#煤層的10-101工作面回采對(duì)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(shí)，導(dǎo)致層間巖層裂隙發(fā)育及損傷破壞區(qū)域完全貫通，巷道圍巖及頂板破碎相當(dāng)嚴(yán)重，巷道變形量較大，圍巖難以控制，對(duì)沿空留巷頂板圍巖支護(hù)造成一定的困難。

觀測(cè)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(qū)，垮落高度比一般的回采工作面大，巖體的碎脹性使采空區(qū)基本被碎裂的巖石填滿，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。沿空留巷的采空區(qū)側(cè)，上部圍巖也發(fā)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(fā)育，并且由于充填體的作用，避免了采空區(qū)碎裂巖塊涌入巷道，保證了巷道的安全。通過數(shù)值模擬，為沿空留巷的成功墊定了理論基礎(chǔ)。

3.2 巷旁支護(hù)體參數(shù)的確定

3.2.1 充填材料

中國礦業(yè)大學(xué)侯朝炯[3]等人基于對(duì)沿空留巷圍巖受力分析，并結(jié)合傳統(tǒng)巷旁支護(hù)的特點(diǎn)，研發(fā)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(dú)的漿液不會(huì)固化，在需要充填的位置進(jìn)行混合，快速凝固。高水速凝材料具有便于運(yùn)輸、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)，并且能承受較大的載荷，當(dāng)載荷超出其承載的極限時(shí)，也不會(huì)立即失效，仍然擁有相當(dāng)一部分殘余強(qiáng)度和緩沖的能力，并且相對(duì)于巖石、混凝土等材料具有更長(zhǎng)的使用期限，諸多特點(diǎn)使其相比于其他材料更適合用于采空區(qū)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(hù)的巷旁充填體，分析高水速凝材料本身特點(diǎn)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、安全生產(chǎn)等多方面的因素，結(jié)合相關(guān)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(hù)體寬度的確定

依據(jù)回坡底煤礦11-101工作面沿空留巷具體的工程地質(zhì)條件，利用數(shù)值模擬軟件模擬了在采空區(qū)下進(jìn)行沿空留巷，工作面推進(jìn)過程中不同寬度的巷旁充填體對(duì)巷道圍巖變形的影響，綜合考慮工作面安全生產(chǎn)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(guān)的沿空留巷的工程實(shí)例，通過理論計(jì)算分析，依次模擬沿空留巷巷旁支護(hù)體寬度分別為1m、1.4m、1.8m時(shí)工作面回采時(shí)巷道變形量，對(duì)不同條件下圍巖的變形量進(jìn)行對(duì)比，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)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(dāng)充填體的寬度有1.0m增加到1.4m時(shí)，兩幫的變形量顯著的減小，而進(jìn)一步增加到1.8m時(shí)，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(yuǎn)，頂板下沉量越小，即在實(shí)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(dāng)支護(hù)體寬度由1.0m增加為1.4m時(shí)，頂板下沉量急劇減小，繼續(xù)增加充填體寬度，下沉量變化不大。

綜合考慮在不同支護(hù)體寬度下沿空留巷巷道支護(hù)體變形量、頂板下沉量等因素，當(dāng)充填體寬度為1.4m時(shí)，進(jìn)行沿空留巷更加經(jīng)濟(jì)合理，并且巷道斷面滿足礦山工作面正常回采的要求，因此確定巷旁支護(hù)體寬度為1.4m。

4 巷道斷面收斂變形量監(jiān)測(cè)與分析

通過對(duì)巷道圍巖表面位移觀測(cè)數(shù)據(jù)分析可知：在工作面回采過程中，沿空留巷實(shí)體煤幫側(cè)頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為785mm，充填體側(cè)最大移進(jìn)量為595mm，兩幫的最大移進(jìn)量為530mm，由圖（b）可知實(shí)體煤幫側(cè)頂板最大下沉量為150mm，充填體側(cè)為250mm，即充填體側(cè)頂板下沉量要大于實(shí)煤幫側(cè)。頂?shù)装逡七M(jìn)量主要是底板鼓起量，而煤幫側(cè)底板鼓起量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于充填體側(cè)底板鼓起量，大概是充填體側(cè)的1.2倍。綜上可知，沿空巷道圍巖變形量在可控范圍內(nèi)，經(jīng)過臥底等巷道維護(hù)修復(fù)措施后可以很好的復(fù)用，滿足下個(gè)工作面回采的需求。

圖5 巷道圍巖表面位移觀測(cè)結(jié)果圖

研究選取了巷旁支護(hù)體材料以及確定了巷旁支護(hù)體的具體參數(shù)。選擇了高水速凝材料澆筑的巷旁充填體作為巷旁支護(hù)體。確定了巷旁充填體水灰比為1.8∶1；巷旁支護(hù)體寬度為1.4m。并通過工程實(shí)踐、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)證明其安全可靠。