沿空留巷巷旁充填體寬度與支護技術研究

劉鵬飛

（神東煤炭集團有限責任公司錦界煤礦，陜西 神木 719319）

沿空留巷是指工作面回采時，在沿采空區邊緣維護原回采巷道，不留設保護煤柱，將上一區段工作面上順槽維護保留，作為下一區段工作面回采的下順槽[1]。沿空留巷可以最大限度地回收資源，避免煤體損失。但是沿空留巷巷道受上覆不均勻載荷影響，巷道圍巖易發生變形破壞，頂底板變形值相對較大，需合理的設計參數與支護方案來防止巷道圍巖變形破壞。本文以神東煤炭集團錦界煤礦31115 綜采工作面沿空留巷為工程背景，通過分析沿空留巷失穩機理，對沿空留巷的設計、支護參數進行優化。

1 工程背景

31115 工作面回采時，在運順正幫側澆筑柔模砼墻進行沿空留巷，設計留巷寬4.2 m，高2.85 m，長5 183.2 m，31115 運順留巷作為31116 回順使用。煤層平均厚度3.28 m，厚度穩定，普氏硬度系數1～3。31115 工作面局部存在偽頂，巖性為泥巖，遇水易泥化，抗壓強度約27.02 MPa，堅固性較低，易冒落，屬不堅硬類不穩定型；31115 工作面直接頂巖層屬于粉砂巖，平均飽和抗壓強度41.6 MPa；基本頂巖性為中粒砂巖，平均飽和抗壓強度40.9 MPa；直接底為砂質泥巖，局部為粉砂巖，平均飽和抗壓強度為37.3～41.2 MPa。沿空留巷巷道頂底板物理力學參數見表1。

31115 巷道頂板巖層是粉砂巖，層理為近水平及波狀，底板巖層由砂質泥巖組成，軟化性較強，煤層堅固性系數較低。受沿空留巷特殊結構影響，巷道靠近采空區一側有可能產生頂板劇烈下沉、底鼓、片幫等礦壓顯現現象，因此揭示巷道失穩破壞原因顯得尤為重要。

表1 巷道頂底板物理力學參數

2 沿空留巷巷道失穩原因分析

31115 工作面沿空留巷巷道除受到31115 工作面滯后及側向支承壓力影響，還要受到31116 工作面回采動壓的劇烈影響，巷道支護十分困難。31115工作面沿空留巷示意圖如圖1。

圖1 沿空留巷示意圖

由圖1 可知，31115 工作面回采后，31115 工作面采空區中粒砂巖基本頂無法及時斷裂垮落，形成懸臂梁結構。31115 工作面采空區中粒砂巖基本頂的垂直應力轉移到31115 工作面沿空留巷巷道的頂板，31115 工作面沿空留巷巷道圍巖受應力集中影響，變形持續增加直至破壞。而后，巷道上部直接頂與基本頂繼續破壞，在31115 工作面沿空留巷上部及靠近采空區部分形成A、B、C 三個塊體，基本頂及上覆巖層載荷作用到沿空留巷上[2]。隨著31115 工作面回采，頂板巖層的撓曲運動會造成支承壓力的重新分布，31115 工作面沿空留巷巷道圍巖承擔基本頂及其上覆巖層的載荷，為了將沿空留巷巷道圍巖變形控制在安全范圍內，需要對沿空留巷充填體寬度和巷道補強支護參數進一步展開研究。

3 沿空留巷充填體寬度確定

當巷道高度一定時，巷道寬高比與充填體寬高比對沿空留巷巷道的穩定性和沿空留巷成本有一定影響[3]。在最大程度上消除留巷額外成本并保證留巷技術可行性的前提下，提出最優寬高比，是指巖層運動前期能夠支撐住頂板、后期能夠適應頂板變形，并且與頂底板巖層形成協調承載的最優寬高比值。31115 沿空留巷巷道寬高比與充填體寬高比計算如式（1）、（2）。

式中：b 為巷道寬度，4.2 m；h 為巷道高度，2.85 m；a 為充填寬度，1 m；Rm為巷道頂底板強度的最小值，3.7×107Pa；σ1為充填體第一主應力，2.6×103Pa；m0為采高，3.2 m；h1為直接頂厚度，取值3.2 m；h2為直接底厚度，1.5 m；E 為充填體彈性模量，3.25×109Pa；E1為直接頂彈性模量，9.5×109Pa；E2為直接底彈性模量，4.5×109Pa；δ為空頂距，0.3 m；γ 直接頂巖層容重，28 kN/m3；l 為周期來壓步距，12 m；K 為直接頂的碎脹系數，1.2；x0為基本頂斷裂基點至沿空留巷煤幫的水平距離，1 m；η 為常數，4。

代入計算得巷道寬度4.2 m 在安全合理的范圍內，充填體寬度應在0.83～1.67 m 之間，選取1 m。

4 沿空留巷補強支護方案設計

（1）被動支護方案

對于31115 工作面沿空留巷巷道，在31115 工作面回采以后，原巷道一側煤幫不復存在，巷道結構發生破壞，圍巖整體承受更大應力作用，更易發生破壞。而沿空留巷的充填體設置初期強度較低，充填體到達較高的支護強度需要一定時間[4]。在充填體形成較高的支護效果前，必須給巷道提供高阻力的被動支護，抑制頂板向下移進，并為充填體形成提供安全穩定的空間。故選取單體支柱配頂梁的加強支護對巷道進行支護。

（2）主動支護方案

31115 工作面沿空留巷受采空區傳遞的不均載荷影響，巷道靠近采空區一側圍巖裂隙發育嚴重，巷道整體頂底板易產生大變形破壞，塑性區范圍較大。為高效安全遏制巷道兩幫與頂底板變形，選取的支護方式需控制圍巖變形直至變形趨于穩定，選擇錨索補強支護滿足圍巖變形控制要求。

錨索錨固長度La計算如式（3）。

式中：k 為安全系數，2；d1為錨索鋼絞線直徑，21.6 mm；fs為鋼絞線抗拉強度，1860 MPa；fc為錨索與錨固劑的設計黏結強度，10 MPa。

代入計算得La應大于2 008.8 mm，所以選用La=2.1 m。

錨索長度L 計算如式（4）。

式中：L 為錨索總長度，m；La為錨索深入到較穩定巖層的錨固長度，2.1 m；Lb為需要懸吊的不穩定的巖層厚度，（從安全方面考慮取巖層最小與最大厚度的均值）4 m；Lc為錨索外露長度，0.25 m。

代入計算得L=2.1+4+0.25=6.35 m，選用L=6.5 m。

31115 工作面沿空留巷巷道支護斷面圖如圖2。

圖2 31115 工作面沿空留巷巷道支護斷面圖

5 現場實測

為了檢驗巷旁充填體寬度與巷道補強支護方案的效果，從距31115 工作面開切眼40 m 到520 m段布置四組測站，測站間距分別為90 m、150 m 和240 m。在31115 工作面回采期間，對31115 工作面沿空留巷巷道圍巖位移進行監測，監測數據見表2。

表2 31115 工作面沿空留巷巷道位移監測表

由表2 可知，巷道兩幫最大移近量為148 mm，巷道煤體側頂底最大移近量為191 mm，巷旁支護側頂底最大移近量為199 mm。沿空留巷巷道頂底板與兩幫的變形量控制在合理、安全的范圍內，保證31116 工作面安全開采，增加煤柱回收率，證明了31115 工作面沿空留巷充填體寬度與巷道補強支護的合理性、有效性。

6 結論

（1）31115 工作面沿空留巷巷道受自身結構的影響，受采空區產生的應力集中和基本頂及其上覆巖層載荷共同作用，巷道兩幫與頂底板易產生較大變形。

（2）合理的沿空留巷巷旁充填體寬度、巷道補強支護參數可以有效控制巷道圍巖變形。

（3）現場實測可知：頂底板變形值與兩幫變形值控制在合理、安全的范圍內，本設計、支護方案保證回采的高效安全進行。