東曲礦大采高工作面沿空留巷技術(shù)應(yīng)用研究

馬建紅

（西山煤電集團(tuán)東曲礦，山西 古交 030200）

1 工程概況

山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司東曲礦目前正在進(jìn)行8#煤層西部第二采區(qū)的回采工作。8#煤層厚3.35～5.01m，平均厚度3.87m，煤層傾角3～9°，平均為4°，屬于近水平煤層。228210工作面位于第二采區(qū)三條大巷西部，東側(cè)緊鄰采區(qū)軌道大巷，南為28212工作面（未掘），北為28208工作面（已采），西邊為本區(qū)邊界保護(hù)煤柱。28210工作面采用一次采全高走向長(zhǎng)壁采煤法。工作面巷道布置詳情如圖1所示。8#煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煤層內(nèi)部含有一到兩層夾矸。8#煤層直接頂板多為砂質(zhì)泥巖、泥巖或粉砂巖，厚約3.50m，直接頂下常有約0.5m的灰色泥巖或炭質(zhì)泥巖偽頂，基本頂為砂質(zhì)泥巖或中細(xì)砂巖，厚約5.00m；底板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，厚1.82m。

圖1 28210工作面巷道平面布置圖

東曲礦為高瓦斯礦井，為滿足工作面通風(fēng)的需求，每個(gè)工作面至少需要布置三條回采巷道，28210工作面三條巷道分別為28210運(yùn)輸順槽、28210回風(fēng)順槽、28210第二進(jìn)風(fēng)順槽。區(qū)段煤柱寬度一般為20m，工作面回采后其回采巷道一般直接廢棄，造成采空區(qū)內(nèi)遺留了大量區(qū)段煤柱，導(dǎo)致礦井的資源利用率、回采率及巷道利用率很低，也帶來(lái)采掘接替緊張的問(wèn)題。因此在28210工作面試驗(yàn)應(yīng)用沿空留巷技術(shù)，在28210工作面回采期間將其回風(fēng)順槽保留下來(lái)為下個(gè)工作面所用。

2 沿空留巷巷旁充填支護(hù)體寬度確定

巷旁充填沿空留巷技術(shù)在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)關(guān)鍵是巷旁充填體的寬度和高度及充填體的加固措施，合理的巷旁充填體寬度和強(qiáng)度對(duì)于減小留巷頂板的下沉量，提高留巷圍巖的穩(wěn)定性起到非常重要的作用[1-2]。為確定28210回風(fēng)順槽巷旁更加合理的充填體的寬度，采用FLAC3D模擬軟件進(jìn)行研究。根據(jù)28210工作面具體的地質(zhì)條件1:1建立數(shù)值模型，模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=207.5×160×70m，煤巖體為摩爾—庫(kù)倫彈塑性單元體，28210工作面埋深取250m，模型上部設(shè)置均布荷載為6.25MPa，巷道斷面為矩形，斷面尺寸高×寬=4m×4.5m。巷道的支護(hù)參數(shù)按照通常情況下的支護(hù)參數(shù)選取，三維數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 三維數(shù)值模型

28210回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)采用高水速凝材料作為巷旁支護(hù)體的充填材料，材料的配合比通過(guò)實(shí)驗(yàn)室確定為1.5:1，巷旁充填體的高度為4.0m。為合理確定充填體的寬度，通過(guò)建立不同充填體寬度條件下數(shù)值模擬，充填體寬度根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為1.8m、2.4m、3m、3.6m、4.2m，充填體的單軸抗壓強(qiáng)度為5.5MPa。由于篇幅所限，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行整理，在不同充填體寬度條件下進(jìn)行28210工作面的回采，將工作面后方充填體內(nèi)垂直應(yīng)力的變化規(guī)律和28210回風(fēng)順槽圍巖位移的變化情況給出，整理后得到圖3所示的結(jié)果。

根據(jù)圖3（a）所示的模擬結(jié)果可知，沿充填體長(zhǎng)度方向，充填體內(nèi)垂直應(yīng)力的變化規(guī)律基本相同。隨著與工作面距離的增加，在工作面后方一定范圍內(nèi)，充填體內(nèi)的垂直應(yīng)力達(dá)到最大。隨著充填體寬度的增大，其內(nèi)部的垂直應(yīng)力逐漸增大。充填體寬度由1.8m增加到2.4m，垂直應(yīng)力增大最為明顯；充填體寬度由2.4m增加到3.0m，其垂直應(yīng)力也明顯地增加；當(dāng)充填體的寬度由3m繼續(xù)增大，其垂直應(yīng)力增大的幅度很小。由此可知，充填體的寬度應(yīng)在3.0m以上。根據(jù)圖3（b）所示的模擬結(jié)果可知，隨著巷旁充填體寬度的增大，沿空巷道圍巖的位移逐漸減小。當(dāng)充填體寬度為1.8m時(shí)，巷道兩幫移近量達(dá)776mm，頂?shù)装逡平窟_(dá)725mm，圍巖變形過(guò)大；充填體寬度增加到3.0m時(shí)，巷道兩幫移近量為630mm，頂?shù)装逡平窟_(dá)561mm，圍巖位移減小明顯，基本滿足為下個(gè)工作面服務(wù)的斷面需求；充填體寬度繼續(xù)增大至3.6m，巷道圍巖位移量變化不大。因此，綜合考慮施工、經(jīng)濟(jì)等多方面因素，設(shè)計(jì)28210回風(fēng)順槽沿空留巷巷旁充填體寬度為3.0m。

圖3 不同巷旁充填體寬度模擬結(jié)果示意圖

3 沿空留巷圍巖控制技術(shù)

3.1 巷內(nèi)基本支護(hù)和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

（1）原有基本支護(hù)

28210回風(fēng)順槽原有支護(hù)方式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)[3-4]，斷面尺寸寬×高為4500×4000mm，頂板選用Ф20×2400mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800×800mm，每排布置六根，中部四根垂直頂板安裝，靠近兩幫的錨桿向外側(cè)傾斜10°安裝，錨固劑為兩支CK2360樹(shù)脂藥卷，錨固方式為加長(zhǎng)錨固，錨固力不低于70kN。每隔三排錨桿布置兩根Ф18.9×6300mm的預(yù)應(yīng)力錨索，間排距為1600×2400mm，沿巷道中心線對(duì)稱布置，垂直頂板安裝，錨固劑為一支CK2340藥卷和兩支M2340藥卷，錨固長(zhǎng)度為1200mm，頂板鋪設(shè)規(guī)格為4700×1500mm的菱形金屬網(wǎng)。兩幫支護(hù)選用Ф16×1600mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間排距為800×800mm，每排五根錨桿均垂直煤壁安裝，最下部一排錨桿距離底板500mm，采用一支K2350型和一支M2350型樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，金屬網(wǎng)規(guī)格為3500mm×1000mm。28210回風(fēng)順槽錨桿錨索布置如圖4（a）所示。

圖4 28210回風(fēng)順槽原有基本支護(hù)

（2）補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

28210工作面回采期間，超前工作面50m對(duì)其回風(fēng)順槽進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，頂板補(bǔ)強(qiáng)采用Φ18.9×8000mm鋼絞線錨索，每排三根，在原有的兩排錨索之間布置兩排，均垂直頂板安裝，間距為1050mm，錨固方式與原有錨索相同。實(shí)體煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)采用Φ20×2400mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800×1600mm，錨固劑為CK2340和Z2340錨固劑各一支。

3.2 巷旁充填支護(hù)

（1）充填體頂板支護(hù)

28210工作面采煤機(jī)割煤后采用錨網(wǎng)索對(duì)充填區(qū)域的頂板進(jìn)行加固。錨索采用Φ18.9mm×8300mm的鋼絞線，鋪雙層網(wǎng)孔為35×35mm的菱形金屬網(wǎng)，錨索間排距為1750mm×800mm，每排五根，錨固劑采用一支K2335和兩支Z2360樹(shù)脂藥卷，錨索拉拔力不得小于120kN。充填體頂板及加強(qiáng)支護(hù)如圖5所示。

圖5 充填體上方頂板及加強(qiáng)支護(hù)示意圖

（2）巷旁充填及加強(qiáng)支護(hù)

工作面回采后，在支架后方進(jìn)行巷旁充填，每次構(gòu)筑的充填體尺寸為長(zhǎng)×寬×高=3×3×4.0m，待充填體基本成型后安裝直徑為22mm的對(duì)拉錨桿，間排距為800×800mm，錨桿間通過(guò)由直徑14mm圓鋼制成的鋼筋梯子梁聯(lián)結(jié)，鋼筋網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)要求使用12#鐵絲。巷旁充填體施工期間采用DZ單體液壓支柱配合鉸結(jié)頂梁對(duì)工作面前方20m和后方100m的回風(fēng)順槽進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，支柱間排距為1200×1000mm。布置詳情如圖5所示。

4 應(yīng)用效果

28210工作面回采期間在其回風(fēng)順槽內(nèi)布置圍巖位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。由圖可知，回采期間，超前工作面40m的回風(fēng)順槽圍巖沒(méi)有明顯的變形現(xiàn)象，工作面回采至測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，巷道兩幫移近量約為62.5mm，頂?shù)装逡平考s為110mm，圍巖穩(wěn)定性較好，為工作面后方沿空留巷圍巖發(fā)揮承載能力創(chuàng)造良好的條件。28210回風(fēng)順槽留巷支護(hù)完成后，工作面后方80m內(nèi)圍巖出現(xiàn)明顯的位移并最終穩(wěn)定不變，兩幫移近量最大為554mm，實(shí)體煤幫頂?shù)装遄畲笠平繛?79mm，充填體幫頂?shù)装遄畲笠平繛?76mm，斷面收縮率約為22%，經(jīng)過(guò)修復(fù)后可以滿足使用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

為解決西山煤電東曲礦礦井采掘接替緊張的難題，提高工作面采出率、巷道利用率，在該礦的28210工作面進(jìn)行沿空留巷技術(shù)試驗(yàn)，依據(jù)其地質(zhì)條件進(jìn)行數(shù)值模擬、理論分析，確定巷旁充填體的寬度為3m，設(shè)計(jì)了相關(guān)支護(hù)參數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，28210回風(fēng)順槽留巷斷面收縮率約為22%，經(jīng)過(guò)修復(fù)后可以滿足使用安全要求。

圖6 巷道圍巖表面位移觀測(cè)結(jié)果圖