沿空留巷工作面充填支護技術應用實踐

王劍鋒

（晉煤集團宏圣建筑工程有限公司， 山西 晉城 048006）

1 工程概況

天安公司朝陽煤業4311 工作面位于四盤區，工作面標高588～616 m。主要開采3 號煤層，煤層厚度6.3 m，煤層傾角0°～7°，平均3°，硬度2～4，煤層穩定，煤層黑色，條帶狀結構，似金屬光澤，煤種有薄層夾矸。頂底板巖性結構見表1 所示。

表1 頂底板巖性結構表

工作面采用走向長壁、后退式綜合機械化放頂煤，一次采全高頂板全部垮落采煤法。機采高度3 m，放煤高度3.3 m，工作面布置如圖1。

圖1 4311 綜放工作面巷道布置平面圖

2 存在問題

通過對工程特點及工程需求的綜合分析發現，工程實施的難點主要體現在以下幾個方面：

1）巷道斷面大。巷道尺寸5 m×3.2 m，預計留巷寬度2.5～3.0 m，高度3.2 m，大斷面巷道受采動影響變形量大，對充填體和巷內支護要求更高[1]；

2）工作面推進速度快。工作面日推進6 m，4311工作面周期垮落步距約25～30 m，要求充填工藝能夠匹配工作面推進速度，充填體在4～5 d 左右要達到設計強度；

3）直接頂巖性脆弱。直接頂為泥巖，頂板控制難度大，易發生碎脹變形，與充填體結合處容易出現瓦斯泄漏；

4）模板支設困難。采出高度大，支架后方頂板垮落高度大，需要采取有效措施防止采空區矸石滾入巷內，也需要采取措施設置強力模板；

5）缺乏施工經驗。沿空留巷在朝陽煤業尚屬首次，無論是技術人員還是施工隊伍，都缺乏成熟完整的經驗，需要在實踐中不斷摸索、總結、完善該項技術，增加了施工的難度和成本。

3 充填方案

3.1 充填方式

根據現場實際情況，確定在4311 綜放工作面采用巷內充填的方式進行沿空留巷布置，充填體布置方式如圖2 所示。

圖2 巷內充填方式示意圖

通過一系列理論分析及數值模擬計算，綜合分析確定充填體設計寬度為2.0 m，對應的充填體支護阻力為7.3 MPa，同時綜合充填支護材料力學特性及現場施工經濟可行性，確定在現場沿空留巷施工過程中采用1.5∶1 的水灰質量比進行充填[2]。

3.2 充填模板支設

1）采空區側模板。擋矸金屬網+鋼絲繩：在巷內架和端頭架之間掛菱形金屬網，與頂網接合，利用原錨索托盤固定網片上部，緊貼金屬網，采用Φ20 mm鋼絲繩上下兩端固定于采空區內，與豎直方向呈15°夾角；在巷內架和端頭架之間打設木點柱，間隔0.5 m，見圖3 所示。

圖3 木點柱支設

在工作面清除浮煤，緊靠木點柱打橫向木板，釘子釘牢，木板間距0.2 m，再鋪塑料網片。

2）吊掛充填柔模袋。高水材料具備速凝早強特性，采用柔模充填袋則可大大減少支模工程量，對充填袋的要求為：其材質應具有足夠的強度，有抗靜電、阻燃的性能，以符合煤礦安全規程的要求，加工接縫要結實牢靠，形狀滿足每次充填及吊掛的要求，如圖4 所示。

圖4 充填袋結構圖（未標單位：mm）

4 充填系統設計

充填系統可以實現遠距離輸送，充填站放在43111 巷工作面前方約200 m 處。工作面長度210 m，則需鋪設兩趟420 m 管路，再加上10 m 混合管，共需管路430×2=860 m。整個充填系統如圖5。

5 現場實施

朝陽煤業4311 綜放工作面從2018 年7 月份開始進行沿空留巷項目施工到2019 年9 月份4311 綜放工作面末采結束，共施工沿空留巷1 173 m。根據充填體寬度、強度及補強方式，將現場充填留巷施工分為三個階段：

圖5 充填管路布置示意圖

1）第一階段為2018 年8 月9 日—2018 年8 月31日，現場留巷過程中充填體寬度為1.5 m，即27#—69#充填體寬度為1.5 m，支護方式也較為簡單，其中30#—55#充填體無錨桿、鋼筋網、木板，55#—69#充填體加有鋼筋網和木板，但沒有施加錨桿；

2）第二階段為2018 年9 月2 日—2018 年11月12 日，將充填體寬度調大至1.8 m，71#～157#充填體寬度為1.8 m，補強支護方案逐步成熟，充填體兩幫施加有鋼筋網和木板，充填體寬度方向上布置有對穿錨桿，錨桿間排距均為1.0 m，并在充填體兩幫布置間距2.5 m 的鋼筋梯梁；

3）第三階段為2018 年11 月14 日之后，將充填體寬度調整至2.0 m，補強支護方式和上一階段相同，充填體兩幫施加有鋼筋網和木板，充填體寬度方向上布置有對穿錨桿，錨桿間排距均為1.0 m，并在充填體兩幫布置間距2.5 m 的鋼筋梯梁[3]。

現場留巷充填過程中采用1.5∶1 的水灰質量比，截止2019 年9 月6 日，共充填394 個模袋，共使用充填材料3 078 t，充填巷道長度1 173 m，平均每米巷道充填2.90 t。充填過程平均注漿壓力7 MPa，每日兩個充填袋凈充填時間3 h 左右，充填體寬度平均2.0 m，高度3.2 m，留巷寬度2.5～3.0 m，高度3.2 m，留巷效果如圖6 所示。

圖6 留巷效果圖

由圖6 可以看出，留巷段煤壁平直，無明顯片幫現象；正常充填留設段充填體大部分鼓出變化量都不大，在100～200 mm 之間，且屬于“漸變”，逐漸鼓出，并沒有發生整體突然碎裂，完全喪失承載能力的現象，而破碎鼓出多發生在充填體表面300 mm 范圍，內部仍完整。

6 結論

綜上可知，現場采用寬度2.0 m、支護阻力7.3 MPa 的充填體并按照1.5:1 的水灰比進行充填，共充填394 個模袋，使用充填材料3 078 t，充填巷道長度1 173 m，現場留巷段煤壁平直，無明顯片幫現象；正常充填留設段充填體鼓出變化量在100～200 mm 之間，巷道頂底板和兩幫形變均符合設計要求，說明本次充填支護能夠有效控制大斷面留巷引起的圍巖變形。