新元礦3107工作面充填留巷支護(hù)技術(shù)探討

王 云

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400）

1 工程概況

山西陽煤集團(tuán)新元礦3107工作面距離地表470 m，工作面開采3#煤層，煤層均厚為3 m。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚為8.0 m，基本頂巖層為中砂巖，均厚為5.1 m；直接底巖層為中細(xì)砂巖，均厚為4.0 m；基本底巖層為砂質(zhì)泥巖，均厚為10.2 m。3107工作面采用綜采工藝，在工作面回采期間進(jìn)行沿空留巷作業(yè)，該巷道為輔助進(jìn)風(fēng)巷，留巷后用作3108工作面的運(yùn)輸巷使用，具體布置方式見圖1。

圖1 3107工作面沿空留巷

為確定沿空留巷合理的支護(hù)方式、參數(shù)，本文擬對留巷巷道支護(hù)有關(guān)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)探討。

2 數(shù)值模擬分析

沿空留巷時(shí)，充填體必須有充足的支撐強(qiáng)度和一定可縮量。為合理設(shè)計(jì)3107工作面沿空留巷作業(yè)時(shí)巷旁充填體的合理寬度，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析，數(shù)值模型尺寸為280 m×20 m×31.81 m，將X軸定為傾向，Y軸為走向，Z軸為豎向，數(shù)值模擬分為以下幾步進(jìn)行：①模型建立完成后運(yùn)算至初始地應(yīng)力平衡； ②初始地應(yīng)力平衡后，進(jìn)行3107工作面回采巷道的開挖與支護(hù)作業(yè)，運(yùn)算至平衡狀態(tài)； ③進(jìn)行3213工作面的回采作業(yè)和巷旁充填體的澆筑作業(yè)，分別設(shè)置充填體寬度為0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m和2 m，充填體采用高水材料，充填材料水灰比為1.5:1，單軸抗壓強(qiáng)度為10.36 MPa。

基于模擬結(jié)果，得出不同充填體寬度下留巷圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況見圖2。

從圖2可知，不同充填體寬度下留巷圍巖塑性區(qū)的分布特征基本不出現(xiàn)變化，充填體均表現(xiàn)為塑性破壞。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)槟M中進(jìn)行巷旁充填體構(gòu)筑時(shí)，未將柔模混凝土的可縮性能加進(jìn)充填體的參數(shù)中，而在工程實(shí)踐中，充填體由于具有一定的可縮性能，能夠適應(yīng)破斷巖層的回轉(zhuǎn)下沉。另外充填體變形量隨著其寬度的增大而逐漸減小； 在充填體寬度為0.8～1.2 m時(shí)變形較為嚴(yán)重，無法保障充填體自身的穩(wěn)定；當(dāng)充填體寬度增大為1.5 m時(shí)，此時(shí)充填體的變形量大大減小，在回采動壓影響下，巷旁充填體僅出現(xiàn)局部較小范圍的向采空區(qū)內(nèi)側(cè)擠出，并無整體彎曲現(xiàn)象的出現(xiàn)；當(dāng)充填體寬度增大為2.0 m時(shí)，此時(shí)充填體不再出現(xiàn)整體彎曲現(xiàn)象，變形量也大大減小。基于上述分析，為保障巷道圍巖穩(wěn)定的原則，確定巷旁充填體的寬度為2.0 m。

圖2 不同充填體下圍巖塑性區(qū)的發(fā)育特征分布

3 留巷支護(hù)技術(shù)

3107工作面留巷支護(hù)技術(shù)主要包括基本支護(hù)、充填體支護(hù)及臨時(shí)加強(qiáng)三種。

1）基本支護(hù)。基本支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板及兩幫錨桿均采用Φ20 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，排距為900 mm，頂板錨桿和兩幫錨桿的間距分別為800 mm和900 mm； 頂板錨索采用Φ21.6 mm×10 300 mm的1×7股鋼絞線，間排距為1 600 mm×1 800 mm。考慮到沿空留巷下巷道圍巖壓力較大，故在進(jìn)行留巷作業(yè)前，在巷道頂板和煤柱幫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索尺寸為Φ21.6 mm×8 300 mm的1×7股鋼絞線，間排距為1 750 mm×1 800 mm，錨索預(yù)緊力為250 kN； 頂板錨索補(bǔ)設(shè)時(shí)每2排間布置3根補(bǔ)強(qiáng)錨索；煤柱幫補(bǔ)強(qiáng)錨索尺寸為Φ17.8 mm×4 200 mm，間排距1 400 mm×1 800 mm，幫錨索采用“202”布置。另外煤柱幫在距離底板300 mm的位置處打設(shè)一根與幫部同規(guī)格的補(bǔ)強(qiáng)錨桿，基本支護(hù)見圖3。

圖3 巷道支護(hù)斷面

2）充填體支護(hù)。基于上述數(shù)值模擬分析，確定巷旁充填體采用水灰比為1.5:1的高水充填材料，充填體寬度為2.0 m，充填體內(nèi)布置Φ22 mm×2 400 mm的對拉螺桿，垂直方向間距與水平方向的間距分別為750 mm和800 mm，對拉螺桿間采用鋼筋梯子梁進(jìn)行連接，表面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，支護(hù)布置見圖4。

圖4 充填體支護(hù)

3）臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)。基于沿空留巷的試驗(yàn)研究與工程實(shí)踐結(jié)果可知[1-2]，留巷一次采動超前滯后的影響距離為80 m，二次采動的超前影響距離約為35 m；據(jù)此在一次回采期間分別在超前工作面30 m和滯后工作面80 m范圍內(nèi)采用單體支柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)方式為一梁三柱，排距為1 000 mm；在下個(gè)工作面二次回采作業(yè)時(shí)，在工作面前方35 m的范圍內(nèi)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)方式同上，具體臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)方式見圖5。

圖5 臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)

4 支護(hù)效果分析

對3107工作面留巷回采期間進(jìn)行頂?shù)装搴蛢蓭鸵平坑^測，并對充填體的變形量進(jìn)行觀測。在留巷回采工作面的位置處布置監(jiān)測斷面，持續(xù)監(jiān)測至工作面回采推過監(jiān)測斷面170 m，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果繪制曲線見圖6。

從圖6（a）分析可知，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，留巷圍巖的變形主要出現(xiàn)在滯后工作面0～80 m的范圍內(nèi)，在該階段留巷頂?shù)装逡平俾首畲笾禐?2 mm/d，兩幫移近速率最大值為12 mm/d；在監(jiān)測斷面滯后回采工作面的距離大于80 m后，此時(shí)頂?shù)装寮皟蓭鸵平炕具_(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，變形速率均降低至0.3 mm/d以下，圍巖變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖6（b）分析可知，充填體的變形主要發(fā)生在滯后工作面10～60 m的范圍內(nèi)，當(dāng)充填體滯后工作面60 m后，其變形速率會大幅降低，最終充填體的橫向和縱向變形量的最大值分別為165 mm和105 mm。

圖6 巷道圍巖及充填體變形曲線

基于上述分析可知，留巷巷道圍巖變形量在可控范圍內(nèi)，能滿足巷道的二次使用要求。

5 結(jié)語

基于3107工作面的地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬法對充填體寬度進(jìn)行了詳細(xì)分析，合理寬度選擇2.0 m為宜；巷旁充填體擬采用高水充填材料；對留巷支護(hù)方案進(jìn)行專門設(shè)計(jì)； 根據(jù)現(xiàn)場礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，圍巖變形量在可控范圍內(nèi)，能滿足巷道的二次使用要求。