綜放工作面軟底沿空留巷圍巖控制技術研究

朱鵬華

（霍州煤電集團云廈建筑工程有限公司白龍礦建分公司，山西 霍州 031400）

1 工程概況

木瓜煤礦現階段主采9#、10#煤層，10-201 工作面位于二盤區準備巷道南翼，工作面上部及周邊均為實體煤巖層，根據掘進期間地質揭露情況分析正巷里程0～150 m、920～1045 m，副巷里程936～1081 m，9#、10#層間距0.35～0.7 m，屬合并層。10-201 工作面埋深312～515m，開采9+10#煤，煤層厚度5.81～7.73 m，工作面傾斜長度245 m，煤層傾角3～14°，煤層硬度2～3，頂底板巖性特征詳見表1。

表1 煤層頂板情況表

2 沿空留巷變形破壞分析

10-201 沿空留巷為10-201 工作面軌道巷，與10-203 工作面運輸巷間煤柱寬度45 m，巷道全長1850 m，沿10+11#煤層頂板布置。為回收保護煤柱，設計10-201 軌道巷進行沿空留巷，原沿空留巷支護方式如圖1 所示。兩側肩角處錨桿外斜20°布置，間排距均為0.9 m，頂板每排布置3 根錨索，靠近肩角處的外斜10°布置，中部一根沿豎直方向布置，間排距1.6 m×0.9 m，煤柱幫錨桿每排4 根，靠近肩角處錨桿向上偏斜10°布置，間排距0.9 m。實體煤幫側采用柔模混凝土支護，柔模充填墻體寬度為1.3 m，高度為3.6 m，采用C40 混凝土充填。

圖1 沿空留巷原有支護方案（mm）

10-201 工作面回采初期，沿空巷道圍巖變形逐漸增大，主要變形形式為底板底鼓及兩幫相對內移。留巷約20 d 后，底板最大突出量達到713 mm，底鼓嚴重，柔模墻底部部分侵入底板，頂板下沉量最大為256 mm，頂板形成沿巷道軸線方向的貫通長裂隙，錨網撕裂繃斷，巷道豎直方向整體位移量達到969 mm，煤柱幫片幫量達到489 mm，幫部錨網、梯子梁損壞嚴重，充填體側內鼓量達到278 mm，水平方向相對移近量達到767 mm，沿空巷道斷面整體收縮嚴重，無法滿足留巷斷面需求。

3 沿空留巷充填體參數優化研究

10-201 沿空巷道留巷期間，受到工作面采動影響圍巖失穩變形嚴重，需要更加合理的柔模充填體支護參數來提高留巷圍巖的穩定性。依據10-201 工作面現場條件，采用FLAC3D軟件進行建模分析[1-2]。由于本次主要研究對象為巷旁充填體對于留巷圍巖的穩定性，將數值模型進行簡化，模型共由7 層煤巖層組成，建立模型尺寸：長度200 m（X 軸）、寬度100 m（Y 軸）、高度142 m（Z 軸），煤層厚度6.5 m，沿空留巷斷面寬×高=5.3 m×3.6 m，模型邊界條件約束如圖2（a）所示，模型頂面等效垂直應力10.45 MPa，三維數值模型如圖2（b）所示。

圖2 數值模型

3.1 充填體強度模擬分析

10-201 沿空留巷原有支護方案巷旁充填材料采用C40 混凝土，充填體寬度1.3 m，根據留巷現場破壞情況，巷旁充填體底部切入底板，說明C40 混凝土雖然強度滿足要求，但是仍未實現留巷圍巖的穩定。因此，設計充填材料分別為C15、C20、C30、C40 混凝土，得到沿空留巷頂板下沉量及頂板巖層塑性破壞范圍如圖3 所示。由圖3 所示結果可以看出，隨著巷旁充填體強度的增大，沿空巷道頂板下沉量及頂板巖層塑性破壞范圍呈減小趨勢。當充填體強度由C15 提高至C20、C30 時，頂板下沉量分別減小54 mm、33 mm，頂板巖層塑性破壞范圍分別減小7.5 m、4.0 m；當充填體強度由C30繼續提高至C40 時，頂板下沉量減小17 mm，頂板巖層塑性破壞范圍減小2.5 m。由此表明，當充填體強度減低時，提高充填材料等級可顯著提高留巷頂板巖層穩定性；當充填體強度達到C30 時，提高其強度等級對于留巷圍巖穩定性的影響很小。因此，充填體強度為C30 最為恰當。

圖3 不同充填體強度條件下沿空留巷變形及塑性破壞模擬結果

3.2 巷旁充填體寬度模擬分析

根據10-201 軌道巷留巷初期破壞情況，多處巷旁充填體出現鉆底及向巷道內歪斜情況，說明原設計巷旁充填體寬度過窄，故設計模擬方案充填體寬度分別為1.4～1.7 m，整理得到不同充填體寬度條件下沿空留巷圍巖塑性破壞特征如圖4 所示。

圖4 不同充填體寬度條件下留巷圍巖塑性破壞特征

充填體寬度為1.4 m 時，工作面回采后，充填體發生剪切破壞，頂板巖層發生大面積的剪切和拉伸破壞，破壞范圍達到22.5 m。此時巷旁充填體對于頂板支承能力弱，無法保障沿空留巷的圍巖穩定。充填體寬度為1.5 m 時，充填體僅頂部肩角及中部局部發生塑性破壞，具有良好的支承能力，頂板巖層塑性破壞范圍顯著減小，沿空巷道頂板淺部巖層破壞程度也顯著降低。此時已滿足維護巷道圍巖穩定性的要求。當充填體寬度為1.6 m、1.7 m 時，留巷期間巷旁充填體基本不發生塑性破壞，單充填體上部及下部煤巖體均發生塑性破壞，表明此時充填體強度已滿足并超出支護強度要求。考慮施工成本此時充填體寬度過大。綜上所述，建議充填體寬度為1.5 m。

4 軟底沿空留巷圍巖控制技術

10-201 軌道巷沿空留巷期間，由于頂板巖層分布不均，在采動影響下頂板巖層內應力增高，裂隙逐漸擴展發育，大面積塑性破壞，且采空區巖層未及時垮落，導致頂板具有向采空區側回轉下沉的趨勢。因此，設計采用注漿錨索+切頂錨索加固措施，注漿錨索布置在常規錨桿+錨索之間，間排距1.6 m×0.9 m，錨索規格為Φ22 mm×8300 mm，采用425 普通硅酸鹽水泥漿，在充填體中部對應位置設置一根切頂錨索。工作面回采后，在煤柱幫內形成應力集中，導致煤柱幫片幫、內移嚴重，因此設計采用短錨索進行補強支護，幫錨索規格為18.9 mm×4300 mm，采用“二一二”布置，間排距2.0 m×0.9 m，均沿水平方向布置；10-201 軌道巷沿煤層頂板布置，巷旁充填體坐落于強度較低的煤層上，在頂板下沉趨勢影響下，一是導致巷道底板底鼓變形嚴重，二是充填體易切入底板或發生歪斜，因此設計通過在柔模墻體之下通過挖槽、澆筑條形基礎進行底板加固[3-4]。基槽開挖深度為1.5 m，寬度為1.8 m，充填材料同墻體均為C30 混凝土。為減小柔模墻體的內移量，設計采用直徑22 mm 的對拉錨栓進行支護，間排距為0.5 m。10-201 軌道巷留巷支護詳情如圖5 所示。

圖5 10-201 軌道巷留巷支護詳圖（mm）

5 留巷支護效果分析

10-201 軌道巷采用優化后支護方案留巷期間，采用十字監測法監測圍巖收斂量，測點布置在采用優化留巷支護方案50 m 處，回采工作面推進速度為9.6 m/d，測點開始滯后工作面時第一次記錄數據，每日記錄一次，整理得到圖6 監測結果。優化留巷支護方案條件下，滯后工作面0～100 m 期間，巷道表面收斂變形量增速較快，底板底鼓量由0 mm 增大至162 mm，頂板下沉量由0 mm 增大至83 mm，充填墻體鼓幫量由0 mm 增大至39 mm，煤柱幫鼓幫量由0 mm 增大至41 mm；滯后工作面距離大于100 m 后，巷道圍巖收斂變形趨于平緩，底鼓量保持在180 mm 以下，頂板下沉量保持在150 mm 以下，煤柱鼓幫量保持在60 mm 以下，充填墻體鼓幫量保持在50 mm 以下，沿空留巷圍巖整體收斂變形保持在較低水平，圍巖穩定性良好。

圖6 沿空巷道表面變形規律

6 結論及建議

通過對現場實際情況分析、數值模擬、理論分析等手段，設計了10-201 軌道巷沿空留巷優化支護方案，同時得到以下結論：

（1）數值模擬研究分析表明，巷旁充填墻體充填材料合理強度等級為C30，巷旁充填體合理寬度為1.5 m。

（2）采用注漿錨索+切頂錨索提高沿空留巷頂板強度，采用短錨索抑制煤柱幫片幫，通過挖槽、澆筑條形基礎進行底板加固，防止充填墻體的歪斜和鉆底。

（3）優化沿空留巷支護方案條件下，10-201軌道巷圍巖收斂變形量保持在較低水平，留巷效果良好。