沿空留巷高水充填體支護參數的設計及工業性實踐

郝 宇

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦， 山西 古交 030200）

引言

傳統小煤柱留設開采方式雖然可提高工作面煤炭的回采率，減少煤炭資源的浪費，但是其在工作面機械化開采程度低、推進速度慢。為解決上述問題，采用無煤柱護巷中的沿空留巷開采技術，不僅可增加煤炭資源的采出率，還可減少巷道的掘進工作量。但是，對于沿空留巷開采而言由于密封性能、支撐能力以及增阻速度等因素的影響導致在實際施工中留巷存在許多問題[1]。近年來，隨著新材料及新技術的應用，通過高水充填材料實現對沿空留巷的充填是未來沿空留巷開采的關鍵技術。本文著重對沿空留巷高水充填體支護參數進行設計并對其工業性實踐進行分析。

1 22301 工作面概述

22301 工作面地表東鄰聯校聯營煤礦，西鄰近風平嶺斷層，北靠近（原東鎮礦）金之中煤礦，區內有屯馬35 kV 二回路自西北向東北橫穿工作面，同時興能電廠排矸皮帶走廊自西向東橫穿工作面，區域地表以山地地形為主，切割強烈，溝谷縱橫，地表分布有長畛溝、山牛溝、廟兒溝。經對地表調查走訪，溝谷均為季節性溝谷，地表有四個藍焰煤層氣鉆孔，工作面埋深357～458 m。22301 工作面井下位于北三盤區右翼，西接北三回風巷，東至北一盤區邊界煤柱，與22118 采空區最短間距36 m，南鄰22303 工作面（未布置），北鄰B2301 工作面（未布置），其采掘工程平面圖見圖1 所示。

22301 工作面平均長度2 652 m，工作面傾斜長度205 m，工作面沿2 號煤層回采，煤層厚度4.15～5.50 m，平均4.75 m 煤層最大傾角8°，最小傾角2°，平均約4°。該煤層頂底板情況如表1 所示。

圖1 22301 工作面采掘工程平面圖

表1 煤層頂底板情況表

22301 工作面皮帶順槽斷面為矩形，施工凈寬為4.5 m，凈高為 3.5 m，斷面面積為 15.75 m2，沿 2 號煤頂板掘進。22301 對兩段工作面進行支護。

2 沿空留巷高水充填支護參數的設計

為保證沿空留巷開采的安全性和有效性，需有效控制沿空留巷對應圍巖的穩定性，確保其關鍵部位足夠穩定。因此，針對沿空留巷高水充填體的支護結構保證其既能夠減小圍巖的應力，又能夠有效控制圍巖的變形[2]。沿空留巷開采常用的支護手段包括有基本支護和加強支護。其中，基本支護的手段包括有高強度錨桿支護、樹脂錨固劑加長錨固支護、增加錨桿預緊力、提高錨桿延伸率、增強護表能力；加強支護主要通過液壓支護設備對頂板和兩幫的圍巖進行控制[3]。

2.1 沿空留巷支護設計

針對沿空留巷支護的特殊性，結合屯蘭礦22301 工作面的地質條件采用在基本支護的基礎上對其采用加強支護。

2.1.1 22301 工作面的基本支護

1）第1 段支護參數（巷道開口至1 090 m）。頂板采用20 mm×2 400 mm 螺紋鋼錨桿＋16 mm 圓鋼梯子梁＋21.6 mm×6 300 mm 錨索＋10 號菱形金屬網的聯合支護方式；兩幫采用20×1800mm 螺紋鋼錨桿＋10mm 圓鋼梯子梁＋10 號菱形金屬網的聯合支護方式。頂錨桿間、排距為1 000 mm×900 mm，幫錨桿間、排距為800 mm×900 mm；循環進度為900 mm，最大空頂距1 300 mm，最小空頂距400 mm。頂錨索間、排距為2 000 mm×1 800 mm，第1 段支護設計如圖2 所示。

圖2 22301 工作面第1 段支護設計（單位：mm）

2）第2 段支護參數（1 090 m 至開切眼）。第 2 段支護方式、參數基本與第1 段基本相同，除頂錨索采用兩根一根隔排布置外，其他參數同前，見圖3 所示。

2.1.2 22301 工作面的補強支護

經分析可知，沿空留巷圍巖活動階段，頂板變形劇烈，服務時間長。因此，必須在巷道基本支護的基礎上，提高支護強度[4]?；谕吞m礦的地質與開采條件，參考其他煤礦沿空留巷工程實踐經驗，經井下觀察初步補強方案為：

1）第1 段補強支護參數（巷道開口至1 090 m）。頂板支護參數不變，非采煤幫采用錨桿、錨索加強支護，每排錨桿在幫角處距底板250 mm 處補打一根錨桿，俯角20°，采用20 mm×24 00 mm 的錨桿，托盤130 mm×130 mm×10 mm 的錨桿托盤并配合16 mm 橫向鋼筋梯子梁和10 號菱形金屬網；再在煤柱幫每2 排錨桿補打2 根21.6 mm×5 000 mm 錨索，分別距頂板700 mm 和2 300 mm 位置處，托盤為250 mm×250 mm×20 mm 的托盤并配合16 mm 的橫向鋼筋梯子梁，梯子梁規格為4 000 mm×50 mm。其補強支護見圖4 所示。

圖3 22301 工作面第2 段支護設計（單位：mm）

圖4 22301 工作面第1 段補強支護設計（單位：mm）

第2 段補強支護參數（1 090 m 至回風措施巷后14 m）。頂板支護補強支護方式與參數為：每2 排錨桿補強3 根21.6 mm×6 300 mm 錨索，錨索間排距為1 500 mm×1 800 mm，距兩幫分別為750 m，錨索托盤規格為250 mm×250 mm×20 mm，并配合16 mm 的走向鋼筋梯子梁，梯子梁規格為4 000 mm×50 mm，靠采煤幫的補強錨索在支架后方補強，其他支護參數同掘巷。煤柱幫補強參數與第1 段相同。其補強支護見下頁圖5 所示。

3 沿空留巷高水充填體支護的工業性實踐

為驗證上述支護參數是否能夠對工作面圍巖進行很好的控制以及充填體的變形情況，本文對22301 工作面支護后充填體的橫向變形和縱向變形進行監測[5]。

3.1 充填體的橫向變形

經觀測可知，距離工作面不同距離的充填體的變形情況不同，具體變形情況如圖6 所示。

圖5 22301 工作面第2 段補強支護設計（單位：mm）

圖6 充填體橫向變形隨距離工作面的關系

如圖6 所示，當距離工作面的距離小于54 m 時充填體的變形從18 mm 增大至201 mm，而且對應的橫向變形速度為9.5 mm/d；當距離工作面的距離大于54 m 小于110 m 時，充填體的變形從201 mm 增大至350 mm，且對應變形速度為4.9 mm/d；當距離工作面距離大于110 m 時，對應充填體的變形區域穩定，保持在350 mm 左右。

3.2 充填體的縱向變形

經觀測可知，距離工作面不同距離的充填體的變形情況不同，具體變形情況如圖7 所示。

如圖7 所示，當距離工作面的距離小于39 m 時充填體的變形從3 mm 增大至186 mm，而且對應的橫向變形速度為18 mm/d；當距離工作面的距離大于39 m 小于113 m 時，充填體的變形從180 mm 增大至300 mm，且對應變形速度為49 mm/d；當距離工作面距離大于119 m 時，對應充填體的變形區域穩定，保持在350 mm 左右。4 結語

近年來，盡管小煤柱留設開采在很大程度上降低了煤炭資源的浪費，提升了工作面煤炭的回采率，但是，小煤柱開采仍會造成煤炭資源的浪費。為此，應推廣無煤柱護巷開采在煤礦開采的應用。本文將沿空留巷開采技術應用于屯蘭礦22301 工作面，并采用高水充填體對工作面進行支護，根據22301 工作面地質條件采用基本支護+補強支護的手段。實踐表明，采用高水充填體護巷對應充填體的變形量很小，即驗證了支護的有效性。