三軟煤層沿空留巷技術研究

蔡九陽，閆冬冬

(河南省新鄭煤電有限責任公司，河南 新鄭 451184)

在國內，近幾年沿空留巷的理論與技術研究較多，并且還有切頂自動成巷技術出現，但不管哪種留巷，主要都是在薄煤層和中等厚煤層中應用[1-4]。對于三軟厚煤層綜放工作面沿空留巷技術，無論是從理論上的優越性和預期結果的創新性都很強，留巷也面臨一些不確定因素。新鄭煤電礦區采掘接替非常緊張，采用沿空留巷技術可以很好地解決這個問題，因此，在12209工作面運輸巷進行三軟煤層巷沿空留巷技術及成套設備的研究非常有必要，而且對于三軟煤層的沿空留巷應用具有重要的應用價值。

1 綜采面概況

12209工作面運輸巷設計走向長1 319 m，傾向長195 m，煤層平均厚度6.5 m，地質條件相對簡單。12209工作面位于12采區東翼，北鄰已回采的12211工作面，南鄰待掘的12207工作面，西鄰11采區上山保護煤柱，東鄰杜莊斷層。留巷前已對12209工作面運輸巷下幫進行擴巷，以保證巷內充填有足夠的巷道斷面，原計劃留巷距離206 m，實際工程量188 m，目前沿空留巷擴巷、恒阻錨索加固、噴漿封閉和注漿加固等工作已完成，已充填留巷127.65 m。

2 綜采工作面卸壓沿空留巷技術方案

通過前期對12209工作面運輸巷設計與現場討論，結合數值模擬計算及相似模擬分析，確定了三軟煤層巷旁澆筑支護沿空留巷技術方案。該技術施工工藝為：巷道超前擴巷→施工恒阻大變形錨索→巷道噴漿→超前注漿→采用液壓抬棚、單體柱抬棚等對巷道補強支護→頂板切縫卸壓→混凝土墻體充填留巷。

圖1 12209運輸巷留巷位置示意Fig.1 Entry retaining position of No.12209 transport roadway

2.1 超前擴幫支護技術

12209工作面運輸巷新擴巷道凈斷面10.71 m2，上凈寬3.5 m，下凈寬2.8 m，凈高3.4 m。擴巷后巷道總斷面26.7 m2，上凈寬7.5 m，下凈寬8.2 m，凈高3.4 m，如圖2所示。擴巷由東向西施工，采用挖掘裝載機配合人工手鎬落煤，挖掘裝載機后跟刮板輸送機膠帶出煤。由于所擴巷道將留作12207工作面回風巷，保證擴巷的相對完整是沿空留巷必須考慮的，因而該段采用鋼筋焊接網、冷拔絲金屬網、H型鋼帶、錨桿、錨索、大變形恒阻錨索支護。

圖2 沿空留巷新擴巷道斷面Fig.2 Section of newly expanded roadway of the gob-side entry retaining

頂板采用φ21.8 mm恒阻錨索，長度根據頂煤厚度變化；擴巷段原則上進入基本頂1 m，原巷道原則上進入基本頂2 m。擴巷段按照“3—2—3”布置，排距1.2 m。原巷道側按照“2—0—2”布置，間排距2.0 m×1.6 m。

2.2 巷道噴漿注漿加固技術

注漿前先對擴巷段進行噴漿封閉，噴漿厚度100 mm。實際噴漿厚度不小于100 mm，噴漿強度C20，體積配比為水泥∶砂∶米石=1∶2∶1.5，米石粒度為5～10 mm，速凝劑用量為水泥質量的2.0%～3.5%。注漿孔布置斷面如圖3所示。

圖3 注漿鉆孔布置斷面Fig.3 Layout section of grouting borehole

噴漿完畢后對已擴巷段分淺孔(1.0 m)、中深孔(2.0 m)、深孔(2.5 m)注漿，注漿孔排距1.6 m(每排孔深相同)，呈“三花”型布置，按照淺孔—中深孔—深孔布置。

2.3 單體液壓支柱抬棚支護和切頂卸壓技術

擴巷側與原巷道分開布設，擴巷側采用2根長1.2 m的鉸接頂梁配合與采高相適應的單體液壓支柱，原巷道側采用3根長1.2 m的鉸接頂梁配合與采高相適應的單體液壓支柱，要求支柱初撐力符合作業措施要求，柱徑為100 mm的不得小于90 kN。老巷加固超前工作面大于40 m，工作面超前支架范圍內不再支設[5-10]。

工作面存在頂煤時，設計單個切縫孔內安設6節長3 m的D型聚能管，無頂煤時，設計單個切縫孔內安設5節長3 m的D型聚能管，且均為不耦合、正向裝藥。采用黏土炮泥封孔，在有頂煤時，封孔長度為2.0 m；無頂煤時，封孔長度為1.5 m。

為了保證切頂卸壓效果，設計切頂鉆孔超前工作面80 m布設，滯后爆破切頂，確定切縫卸壓爆破裝藥結構及參數，并根據現場情況確定爆破工藝，裝藥方式及參數見表1。

表1 裝藥方式及參數Tab.1 Charge method and parameters

2.4 沿空留巷混凝土墻體施工

工作面12209運輸巷沿空留巷巷旁充填墻體總工程量188 m，根據情況確定巷旁充填施工方案。

(1)確定采面、充填工藝流程。割煤→移架→推溜(裝、運煤)→充填，每推進4個步距，充填1次。每次充填長度為2.2～2.5 m(頂板破碎時可適當縮小)，充填寬度為2.2 m。

(2)充填墻內加固。澆筑充填墻前，膜箱內采高清理完畢后(不小于3.5 m)在底板鋪設一層鋼筋網，采用φ20 mm×2 000 mm等強錨桿打設地錨，間排距均為600 mm，錨桿錨入底板巖層大于500 mm，將鋼筋網壓緊；然后沿錨桿外露部分向上采用φ20 mm螺紋鋼(或廢舊錨桿)綁扎鋼筋籠縱筋至距頂200 mm，再自底板向上每800 mm綁扎一層橫筋并鋪設鋼筋網，網邊至膜箱留有200 mm的空間；鋼網與螺紋鋼、螺紋鋼與螺紋鋼之間采用14號鐵絲進行綁扎固定；每次綁扎橫筋時，靠近推進方向一側掰彎至少200 mm形成彎鉤并用編織袋包裹，下一膜加強筋綁扎時將握鉤搭接與此膜加強筋搭接綁扎。

(3)墻體構筑。采用自行前移機械立模。充填前，要將模板調整處于平、穩、直狀態，空隙處采用柔性物進行封閉，然后架設充填管路，準備進行充填；充填前檢查輸送泵運行是否正常，管路是否暢通，無誤后方可進行材料攪拌輸送；進料要均勻連續，并嚴控加水量，同時注意觀察設備工作壓力和狀況。充填材料一方面采用成品袋裝材料。采用沙子、米石、水泥按照2∶1∶2比例摻拌進行澆筑，水泥采用強度不小于P.O42.5的硅酸鹽水泥。

(4)充填墻體維護。滯后充填支架5.0 m在留巷側緊貼充填墻采用支丁形抬棚/超前巷道支架加固，丁形抬棚長2.2 m、寬1.2～1.6 m，間距不超過5.0 m(前期按3.0 m間距布置，根據后期觀測情況，若頂板及墻體無異常可調整為5.0 m)。充填墻11模后不再支設木垛，改用巷道支架維護頂板及墻體穩定，充填墻維護措施如圖4所示。

圖4 充填墻維護措施示意Fig.4 Maintenance measures for filling wall

2.5 沿空留巷現場觀測方案

沿空留巷現場監測點初步選定深基點位移監測、巷道表面位移監測、單體支柱壓力監測、錨桿(索)支護力監測。

(1)深基點位移監測。深基點位移(9、8、3 m)監測的主要目的是判斷圍巖的松動范圍，為合理選擇錨桿支護參數提供依據。由于巷道開挖后頂板圍巖應力發生轉移、集中，層狀頂板下位巖層變形后容易發生離層破壞，產生事故隱患，頂板不同深度圍巖位移監測可以掌握離層破壞區域等情況。能夠判斷支護效果，并為錨桿(索)長度參數的優化、錨桿合理長度的確定以及應力分析獲得基礎數據。

根據經驗以及巷道內深部位移實際位移規律，在12209工作面沿空留巷巷道中均勻布置6個深基點位移監測點，每個測點的頂板及煤壁側各安裝一個深基點位移自動記錄儀，深基點位移監測點具體布置如圖5所示。

圖5 12209工作面運輸巷深基點位移監測點布置Fig.5 Layout of monitoring points for deep base point displacement of transport roadway in No.12209 working face

(2)巷道表面位移監測。巷道表面相對位移采用十字布點法，在兩幫和頂底板的中點安設外露端帶孔的固定桿，在孔中穿入線繩。測量時將頂底和兩幫線繩拉緊，利用鋼卷尺量取4個參數，分別計算絕對和相對移近量，為了全面準確監測12209運輸巷中單體支柱工作阻力的變化情況，在12209擴巷中單體支柱上布置測站進行監測。

(3)錨桿(索)支護力監測。錨桿(索)支護力監測點的布置與深基點位移監測儀的布置位置相對應，在深基點位移監測儀安裝位置附近布置相應的錨桿(索)支護力監測點，用以監測錨桿(索)支護力的變化情況。

3 沿空留巷現場觀測結果分析

從2號觀測站距回采工作面14 m左右，切頂鉆孔爆破至2號觀測站向外約35 m，之前2號觀測站無明顯變化，至14個工作日工作面回采至2號觀測站，離層儀深、淺基點變化量均超過10 mm，測力計變化量10 MPa，表面位移變化量0.47 m；20 d后，工作面回采至2號觀測站向外20 m左右，離層儀深基點變化量48 mm、淺基點變化量37 mm、錨索測力計數值從14 MPa降回10 MPa，表面位移變化量0.7 m；28 d后，工作面過觀測站35 m，切頂孔爆破過離層儀60 m，離層儀深基點數據總變化量達80 mm、淺基點總變化量達52 mm、測力最大變化量10 MPa，頂底板相對位移變化量1.17 m(頂板下沉量0.55 m，底鼓量0.62 m)，之后變化不大。

由此可見，切頂鉆孔爆破后、工作面距觀測站大于15 m時頂板變化較??；回采工作面距觀測站小于15 m至過觀測站40 m之間，頂板壓力逐漸增大，離層儀顯示最大數據80 mm(過工作面35～40 m時)，測力計數據最大為24 MPa，過40～60 m后變化逐漸平穩。

目前，留巷變形較大處，突出表現為頂板向充填墻體一側傾斜下沉，底鼓嚴重，煤幫局部擠出。距工作面后方50 m巷道局部變形情況如圖6所示，之后巷道斷面基本保持穩定。

圖6 沿空留巷巷道變形Fig.6 Deformation of the roadway of the gob-side entry retaining

4 結論

目前12209沿空留巷段相對位移量較大，頂底板巖性較軟是很重要的因素之一，頂板下沉導致了軟弱底板的鼓起；而底鼓也加劇了頂板的下沉。結合現場實際情況分析，除地質因素外，還有以下幾方面原因。

(1)混凝土澆筑材料問題。市場現有成品澆筑材料因澆筑材料凝固太快，頻繁堵管，不能滿足輸送混凝土要求，需要廠家協調重新調整配方，重新測試。

(2)充填墻體強度不足?，F有充填體早期及終凝強度偏低，如果不考慮切頂卸壓的話，不足以滿足頂板來壓要求。

(3)混凝土攪拌系統不匹配。目前井下所用混凝土輸送泵設備和攪拌系統不匹配，主要因為混凝土攪拌機能力嚴重不足，其攪拌軸與葉片布置存在較大問題，需要調整混凝土配比，改進井下攪拌壓力。

針對試驗方案中發現的以上問題，需要實時改進混凝土的配比、調整混凝土攪拌系統(如壓力、輸送管道分布等)，最好采用成套的滿足井下生產條件的混凝土供料、攪拌、泵送系統，性能方面相互匹配，才能夠真正找出適用于12209工作面沿空留巷的技術方案。