綜放面沿空留巷圍巖控制技術及礦壓顯現特征研究

張 剛

（山西蘭花科技創業股份有限公司唐安煤礦分公司，山西高平048400）

沿空留巷能夠提高煤炭采出率，減少巷道掘進次數和數量，尤其是高瓦斯和突出礦井能夠使留巷的下一個工作面順層鉆孔有充足的瓦斯抽放時間，該項技術有效緩解采掘接替的緊張狀況，是既有利于礦井安全生產又能提高礦井技術經濟效益的一項先進開采技術[1-3]。自2015 年以來，切頂卸壓自動成巷和柔?；炷羶煞N沿空留巷技術在山西晉城區域礦井得以一系列的推廣和應用[4]。

近年來我國煤巷錨桿支護材料和支護技術得到了迅猛發展，沿空留巷的巷內支護逐漸開始使用高強度材質的錨網索聯合支護[5]，巷旁支護也有膏體充填、矸石充填、超高水材料包式充填技術使巷道維護效果不斷改善[6]。但是沿空留巷是一類典型的極難維護的動壓巷道，在原巖應力、構造應力和采動應力疊加的多次作用下，圍巖的破碎區、塑性區范圍大，巷道產生大變形和劇烈變形，該類巷道的支護仍是需要繼續解決的難題。

本文以山西蘭花科技創業股份有限公司唐安煤礦的3313 綜放工作面沿空留巷巷道為研究對象，開展綜放采場沿空留巷礦壓顯現規律及圍巖控制技術的研究。以期達到了降低沿空留巷巷道支護成本的同時改善巷道圍巖受力狀況，成功實現沿空留巷并促進礦井安全高產高效的目的。

1 礦井概況

山西蘭花科技創業股份有限公司唐安煤礦分公司井田位于高平市西南約15.2km 處的馬村鎮。井田位于沁水煤田晉城礦區中部，現開采3 號煤層，3 號煤層平均厚6.09m，礦井開拓方式為2 斜井和1 立井混合開拓，采煤方法采用走向長壁與傾斜長壁相結合開采，采煤工藝全部采用綜合機械化低位放頂煤采煤，全部垮落法管理頂板。

3313 工作面布置在3 號煤層三盤區，工作面走向長度609m，傾向長度235m，回采推進長度497m。3313工作面軌道順槽沿底板留頂煤掘進，毛斷面寬5.8m×高3.2m，凈斷面5.6m×3.1m，一次開挖成巷。3313工作面軌道順槽沿空留巷既可以使3311工作面少掘進一條回采巷道，又可以提前布置3311工作面的順層抽采鉆孔，保障了3311工作面有足夠的瓦斯抽采時間。

2 巷道支護方式

2.1 基本支護參數

（1）頂板錨桿支護參數。

錨桿型號：?20mm×2200mm型高強度錨桿。

錨桿布置：錨桿排距為900mm，每排7 根錨桿，間距900mm；兩頂角錨桿與巷道輪廓豎直方向成20°，其余必須垂直煤巖面打設。

（2）頂板錨索支護參數。

錨索型號：鎖體為?21.8mm×8300mm，1×19 股高強度鋼絞線。

錨固方式：所有錨索均采用四支錨固劑加長錨固，先安裝一支K2335 型錨固劑，再安裝三支Z2360 型錨固劑。

錨索布置：采用三二三二相間布置，間距1800mm，排距900mm。

錨索角度：全部垂直頂板煤巖面打設。

（3）兩幫錨桿支護參數。

錨桿型號：?20mm×2200mm型高強度錨桿。

錨桿布置：錨桿排距900mm，間距900mm，每排4根錨桿，上幫錨桿與巷道水平成20°仰角布置，其余垂直煤巖面打設。

3313工作面軌道順槽基本支護見圖1。

圖1 3313工作面軌道順槽基本支護

2.2 超前工作面永久加強支護

當頂板每排布置2根錨索時，超前回采工作面在煤柱側和回采側頂板各補打1根錨索，與原巷道頂板錨索形成三四三四布置，錨索距離煤幫650mm，排距1800mm。錨索型號為?22mm×8300mm。見圖2。

3313工作面軌道順槽留巷前巷道頂板基本支護方式為錨桿+鋼筋梯子梁+金屬網，頂板支護為一級支護；3313 工作面軌道順槽即將一側采空時，留巷巷道加強支護方式為快速承載預應力錨索，頂板支護分為二級支護。

一級支護：頂板錨索采用三二三二相間布置，錨索為?22mm×8300mm 的1×19 股鋼絞線，間距1800mm，排距900mm，鉆孔深度8100mm，鉆頭直徑?30mm。當每排布置三根錨索時，靠近回采幫兩根錨索采用W鋼帶組合支護，鋼帶長度2400mm，鋼帶型號為WD280-3。

圖2 3313工作面軌道順槽加強支護

二級支護：錨索材料、型號、間排距同一級支護，所有錨索采用四支錨固劑加長錨固，安裝先后次序為先安裝一支K2335 型錨固劑，再安裝三支Z2360 型錨固劑；預緊力不小于150kN；布置回采側三根錨索時，靠近回采幫兩根錨索采用W 鋼帶組合支護，鋼帶長度2400mm，鋼帶型號為WD280-3。

2.3 巷旁充填體承載性能

（1）充填體的承載性能。充填體作為支護結構的一個重要組成部分，是巷道圍巖穩定性的關鍵之一。充填體承載性能應與煤體、頂底板承載能力相協調。若充填體強度不足，則易在強烈的滯后采動應力作用下發生變形破壞，從而使巷道頂板的承載作用降低，進而導致頂板向充填體側采空區下沉破壞，造成留巷支護結構破壞。若充填體強度、剛度較大，則巷道頂板可能沿充填體內側切頂，同樣造成頂板下沉嚴重，圍巖結構失穩。充填體剛度非常高時，充填體將上覆巖層垂直應力全部轉移到巷道底板，從而將導致嚴重底鼓。

因此，合理的充填體強度和寬度應與留巷支護結構其他部分相協調。合理的充填體尺寸和強度，將有助于關鍵塊體盡快穩定，并能適應其回轉下沉。合理的充填體尺寸和強度使其與巷道的實體煤幫共同承載，改善留巷支護結構的應力狀況，保證留巷結構的穩定。

（2）切頂角度計算。當頂板沿切縫面破斷后，此面便成為了塊體間的接觸面（如圖3所示），對接觸面的受力分析如圖4所示。

圖3 沿空留巷頂板結構

圖4 沿空留巷頂板關鍵塊受力分析

根據砌體梁結構的“S（sliding）-R（rotation）”理論：只有關鍵塊既不會在巖層剛斷裂時滑落失穩（S），又不會在斷裂后因咬合點擠碎而形成回轉變形失穩（R），砌體梁結構才是穩定的。圖4中塊體發生滑落失穩的條件為：

式中：T——塊體所受水平推力，kN；

R——巖塊所受的剪切力，kN；

φ——巖塊間的摩擦角，（°）；

α——切頂角度，（°）。

式中：q——基本頂的載荷集度，kN/m；

L——基本頂巖塊的長度，m；

ΔS——巖塊B的下沉量，m；

hm——基本頂巖層厚度，m。

由唐安煤礦3313工作面地質條件可得，φ=27°，L=35m，ΔS=1.63m，hm=8.9m，計算得θ=4.47°，故切頂角度α=85.53°。

在唐安煤礦生產地質條件下，切頂高度16m，切頂角度85°，巷旁支護墻C30混凝土，混凝土墻寬度1.5m，沿空留巷保持完整，可以成功留巷。

3 沿空留巷圍巖礦壓顯現特征分析

3.1 頂底板及兩幫內部特征監測

近些年地質雷達在煤炭行業中被廣泛應用，應用地質雷達系統可以探測采空區、斷層、陷落柱等構造特征分布。采用ZTR12 型地質雷達監測系統對巷道頂底板以及兩幫進行觀測。

通過對采空區、巷道頂板、巷道底板和煤柱地質雷達二維譜與振幅譜圖綜合分析可知，3313 工作面軌道巷松動破壞深度為4m左右，工作面前后各20m范圍內頂板受力以拉應力為主，工作面超前40～120m范圍內頂板受力以壓應力為主。

通過分析底板巖層的受力特點可知，工作面前方20～100m 范圍內的底板巖層受力以壓應力為主，采空區后方50～70m范圍內的底板巖層出現較為明顯的底鼓，表明該區域與底板巖層以拉應力為主。

3.2 充填體壓力監測

測點位于柔模墻體之下，打柔模墻之前在墻體下裝入3 個GH-1000 壓力盒液壓枕，沿墻體寬度方向并排放置作為一個測點，液壓枕上下鋪設1～2cm的細砂確保液壓枕均勻受力。

從三組測線應力的變化規律上來看（圖5），充填墻體上的應力變化存在“增大—減小—增大”過程，通常在與工作面距離為40m左右時充填墻體上的應力達到最大值，當與工作面距離為60m左右時，充填墻體上的應力出現急劇降低；同一測線處的三個應力計的數值也存在著一定的差異，應力變化存在著一定的方向性前中后應力變化程度不同。

充填體在距工作面150～280m期間壓力第二次急劇增大，在距工作面距離350m 之后壓力增速開始減緩，由此可知，工作面推過350m 以后頂板運動開始趨于緩和。

4 結論

（1）3313 工作面軌道巷頂板基本支護方式為錨桿+鋼筋梯子梁+金屬網，加強支護方式為快速承載預應力錨索。留巷前后頂板支護分為一級支護與二級支護。一級支護：頂板錨索采用三二三二相間布置，二級支護：錨索材料、型號、間排距同一級支護，頂板錨索形成三四三四布置。

圖5 充填墻體壓力變化

（2）現場實踐證明在唐安煤礦生產地質條件下，切頂高度16m，切頂角度85°，巷旁支護墻C30 混凝土，混凝土墻寬度1.5m，沿空留巷保持完整，可以成功留巷。

（3）根據現場實測留巷巷道內頂底板及兩幫破壞特征以及充填體所受壓力變化規律，巷道頂板在工作面推過350m 后運動開始逐漸趨于緩和，建議350m 以后結合留巷圍巖狀態進行單體柱的回撤。