近距離煤層采空區下沿空留巷圍巖控制技術研究

趙金生

【摘 要】 文章針對近距離煤層采空區下沿空留巷頂板破碎、圍巖支護困難的問題，通過對采空區下沿空留巷圍巖應力分布狀態和上位煤層開采對底板破壞深度的分析，提出采用高水巷旁充填的沿空留巷方式，實現了對沿空留巷圍巖變形的有效控制，為工作面安全高效生產提供了保障。

【關鍵詞】 近距離煤層;沿空留巷;高水材料;圍巖控制

【中圖分類號】 TD353 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）05-0017-02

沿空留巷技術作為一種無煤柱護巷技術，憑借高資源回收率、低巷道掘進率、縮短工作面搬家時間和可緩解采掘接替緊張等優勢，在我國的應用日益廣泛。近距離煤層是我國煤炭賦存的一種主要形式，近距離煤層下行開采時，由于煤層間距較小，受上位煤層的采動影響，下位煤層工作面采空區圍巖極易發生較大變形，給沿空留巷圍巖穩定性控制造成諸多困難。近距離煤層沿空留巷圍巖變形日益成為相關學者專家關注的焦點。本文針對山西某礦5303軌道順槽受上位煤層采動影響，頂板破碎、圍巖支護困難的問題，通過對上位煤層采空區下沿空留巷圍巖受力分析，提出采用高水沿空留巷方案，有效維護了5303軌道順槽圍巖穩定。

1工程概況

1.1煤巖層賦存情況

山西某礦4#和5#煤層平均間距為8.24m，為近距離煤層。其中4#煤層已開采完畢，目前主采5#煤層。其中，4#煤層平均埋深164m，均厚3.06m，平均傾角4°;5#煤層均厚2.64m，平均傾角4°。4#和5#煤層均采用全部垮落法管理頂板。4#和5#煤層及其頂底板情況如圖1所示。

1.2工作面概況

5303工作面位于5#煤層三采區，北鄰5301工作面采空區，南鄰5305工作面（計劃開采），西為三采區運輸巷和回風巷，東為實體煤，5303工作面上方為4#煤層采空區。為了提高5303工作面煤炭回采率，緩解工作面采掘接替緊張的問題，決定將5301工作面膠帶順槽采用沿空留巷的方式在5303工作面回采時復用為5303軌道順槽。5303軌道順槽全長約624m，巷道為矩形斷面（長×寬=4500mm×2200mm），巷道原支護方式為錨網鎖支護。5303工作面布置示意圖如圖2所示。

2采空區下沿空留巷圍巖狀態分析

2.1采空區下垂直應力分析

近距離煤層下行開采時，上位煤層被開采完畢且圍巖結構穩定后再對下位煤層進行開采。但是，上位煤層開采所形成的采空區內堆積有大量垮落矸石，上覆巖層重力直接作用在層間巖層上，為下位煤層頂底板穩定性和完整性造成不利影響。當采用內錯式布置沿空留巷時，沿空巷道位于上位煤層采空區下方，將采空區和煤柱支承壓力簡化后，可得到采空區和煤柱應力分布狀態，具體如圖3所示。

由圖3可知，在煤柱靠近采空區側形成一定程度的應力集中，在煤柱遠離采空區側為原巖應力，而在上位煤層采空區下方垂直應力最小。因此，采用內錯式布置沿空留巷，可將巷道布置在應力降低區內，有利于維護巷道穩定。

2.2上位煤層開采底板破壞深度分析

上位煤層的回采導致支承壓力作用在一定深度范圍內的底板巖體中，若支承壓力不小于底板巖體強度時，會在底板巖體內形成塑性變形區。而若支承壓力值達到巖體破壞強度時，塑性變形區便會形成一個整體破壞區，從而導致塑性破壞區內巖體向采空區側凸起，此時底板巖體變為一個連續滑移面。根據滑移線場理論，可知上位煤層回采對底板的最大破壞深度hmax為：

hmax=e（1）

其中，M為采高，此處取3.06m;K為應力集中系數，取2.0;γ為上覆巖層平均容重，取20kN/m3;H為煤層采深，取164m;C為煤體內聚力，取0.6MPa;φ為煤體內摩擦角，取16°;φf為底板巖層內摩擦角，取35°。將上述參數帶入式（1）可解得：hmax=3.58m。由于4#和5#煤層間夾有厚度為4.68m的砂質泥巖和3.56m的泥巖各一層。因此上位4#煤層回采后，5#煤層尚有一層完整的泥巖層。

3高水巷旁充填沿空留巷方案

3.1高水巷旁充填沿空留巷技術的確定

為了有效控制5303軌道順槽圍巖變形，綜合考慮5303工作面實際工程地質條件，在巷道原有支護方案的基礎上，提出采用高水巷旁充填沿空留巷方式。主要原因如下：

5303軌道順槽埋深較淺，且位于4#煤層采空區下方卸壓區，對充填體強度要求較低;

5303工作面直接頂為泥巖，強度較低，易發生垮落造成巷道維護困難，因此所用巷旁充填材料需具備較快的增阻速度，以便及時對頂板進行支護;

5303軌道順槽存在長度較大、斷面較小等運輸困難，因此需要輔助運輸量少、施工工藝簡單的沿空留巷方式;

5303軌道順槽位于4#煤層采空區下，而4#煤層采空區內極易形成大范圍積氣積水區域，采用高水材料進行巷旁充填可實現快速接頂，進而將采空區密閉起來，達到防止積氣積水進入到軌道順槽的目的。

3.2高水巷旁充填沿空留巷成型及加固

結合臨近工作面施工經驗，5303軌道順槽沿空留巷巷旁充填體選用水灰比為1.5∶1的高水材料。這種水灰比的高水材料凝固后3d的強度達到8MPa，完全符合要求。另外，為了使高水充填材料漿液在充填時成型，采用“鋼筋網+充填袋”成型的方法。如圖4所示，鋼筋網和對拉錨桿可有效約束充填體側向變形，進一步加固充填體。對拉錨桿采用直徑22mm的左旋螺紋鋼，間排距為800mm×1000mm。

4工業性試驗

為了掌握近距離煤層高水巷旁充填沿空留巷圍巖變形情況，在5303軌道順槽沿空留巷期間，采用十字布點法在留巷10m處布置首個測點，隨后每50m布置一個測點，共布設10個測點，對5303軌道順槽表面位移進行監測。監測結果表明：5303軌道順槽實體煤側頂板最大移近量為562mm，充填體側頂板最大移近量為458mm，兩幫最大移近量為203mm。由此可知，采用高水巷旁充填沿空留巷技術后，5303軌道順槽表面位移量在允許范圍內，滿足工作面安全使用需求。

5結語

文章分析了近距離煤層下行開采時采空區下垂直應力分布狀態和上位煤層開采對底板破壞深度。

結合5303工作面實際工程地質條件，提出采用高水巷旁充填沿空留巷技術，并制定了高水巷旁充填沿空留巷成型及加固方案。

現場實測結果表明：采用高水巷旁充填沿空留巷技術后，5303軌道順槽實體煤側頂板最大移近量為562mm，充填體側頂板最大移近量為458mm，兩幫最大移近量為203mm均在允許范圍內，滿足工作面安全使用需求。

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