高水材料巷旁充填沿空留巷技術在屯蘭礦應用研究

劉 薔

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭煤礦，山西 太原 030206）

1 工程概況

屯蘭礦12509 工作面位于+750 m 水平南五盤區右翼，聯合開采的2#、3#煤巖總厚度為4.10～4.70 m，平均厚4.39 m，煤層有益厚度平均3.59 m。其中2#煤厚2.60～3.20 m，平均2.96 m；3#煤厚0.40～0.70 m，平均0.63 m；2#煤與3#煤之間夾一層砂質泥巖，厚0.60～1.00 m，平均0.80 m。工作面煤層整體呈向斜構造，傾斜長度219 m，煤層最大傾角8°，最小傾角3°，平均5°。工作面北鄰12507 工作面采空區，南鄰12511 工作面，東鄰土地溝斷層，西接南五盤區大巷，如圖1 所示，設皮帶順槽、軌道順槽、切眼、瓦斯治理巷、措施巷五條巷道，所有巷道均沿2#煤頂板布置。煤層頂底板巖層特征見表1。以往屯蘭礦采用的混凝土沿空留巷技術存在耗材量大、井下用工多、速度慢、勞動環境惡劣等問題，需研究更為高效的沿空留巷工藝。以12509 工作面為工程背景，展開高水速凝材料巷旁充填沿空留巷工藝的設計研究與應用試驗。

表1 煤層頂底板情況表

圖1 12509 工作面采掘工程平面圖

2 巷旁支護體設計

進行沿空留巷巷旁支護體參數設計時，考慮頂板巖層的極限狀態，通過簡化得到彈性基礎梁模型如圖2（a）[1]。

圖2 巷旁支護原理及高水速凝材料特性

巖塊AB、BC 受力平衡，則可得：

扭矩為0，得：

AB 巖塊扭矩為0 可得：

式中：α為工作面傾斜角度；c為巷道留巷支護后寬度；d為巷旁充填體寬度；h為基本頂厚度；Pq為巷旁支護體的切頂阻力；ML為基本頂可承受的極限彎矩；M0為基本頂由A點斷裂后的殘余彎矩；q為巖層容重；q0為直接頂自重；ΔSB為B點下沉量。12509 工作面相關參數如下：采高4.4 m，傾斜長度219 m，周期來壓步距22 m，平均埋深330 m，基本頂平均厚度4.1 m，直接頂平均厚度2.3 m，留巷后巷道寬度4.5 m，底板巖層平均容重24.5 kN/m3，基本頂抗拉強度1.7 MPa，側壓系數為0.4，煤層傾角按平均5°考慮，B 點下沉量300 mm。將上述參數代入式（4），得到12509 皮帶順槽巷旁充填體強度不應小于11.3 MN/m。

根據理論計算結果可知，12509 皮帶順槽沿空留巷期間巷旁充填體提供的支護阻力應不小于11.3 MN/m。屯蘭礦擬采用新型高水速凝材料，該種材料7 d 齡期時單軸抗壓強度與其水灰比變化曲線如圖2（b）所示。結合以往的工程實踐[2-4]，設計所用高水材料水灰比為1.5:1，充填體抗壓強度11 MPa，安全系數取2.0，得到充填體寬度理論計算為2.05 m。設計為巷旁充填體寬度2.2 m 符合理論計算要求。

3 沿空留巷支護設計

3.1 巷旁充填體參數設計

12509 皮帶順槽掘進斷面尺寸寬、高=4.5 m、3.5 m，結合理論分析計算結果設計巷旁充填體規格長、寬、高=3.5 m、2.2 m、3.5 m。為保障巷旁充填體強度及穩定性，采用直徑20 mm、長度2300 mm 的螺紋鋼制作對拉錨桿進行加固，充填體表鋪設用直徑為6.5 mm 的鋼筋加工而成的鋼筋網。如圖3。

圖3 巷旁充填體補強支護示意圖（mm）

3.2 留巷側端頭及鋪網支護

為防止巷旁充填體施工階段頂板冒落，保持充填區域內頂板的完整性及減少充填成本，提高沿空巷道頂板的穩定性，結合屯蘭礦實際生產地質條件，具體方案如下：割煤后在端頭2～3 架液壓支架架前鋪柔性網，頂板施工長度2.4 m 的錨桿、長度6.3 m的錨索，布置排距850 mm，然后移架，在采空區邊緣與待充填位置打設臨時單體，配合鉸接頂梁及鐵鞋，頂梁沿工作面推進方向。充填體上方頂板加強支護如圖4 。

圖4 充填體頂板支護示意圖（mm）

3.3 巷內加強支護方案設計

12509 皮帶順槽掘巷時未考慮后期留巷，支護強度相對較低，因此在留巷期間在原支護基礎上進行補強支護，煤柱幫補強錨索型號Φ21.6 mm×5000 mm， 煤柱幫補強錨桿采用Φ20 mm×L2400 mm 螺紋鋼錨桿，頂板補強錨索型號Φ21.6 mm×6300 mm。留巷階段補強支護及原有支護方案如圖5。

3.4 留巷后段加強支護

根據屯蘭礦沿空留巷工程實踐階段大量觀測結果表明，滯后本回采工作面80 m 以上時，采空區頂板活動強度明顯減弱，而與工作面距離小于80 m 范圍內的采空區頂板活動較強烈，因此設計中在工作面后方80 m 范圍內的12509 皮帶順槽采用單體液壓支柱加強支護，每排布置3 根支柱，排距為900 mm，間距1200 mm，π 型鋼頂梁與巷道軸線方向垂直布置。

4 應用效果監測

在留巷階段設置綜合礦壓監測站，定期監測沿空巷道的礦壓顯現特征。以12509 皮帶順槽留巷第一個測點監測數據為基礎，通過Excel 軟件和Origin 軟件處理后得到巷道表面變形量及充填體變形量變化趨勢線如圖6。分析可知，在12509 回采工作面后方20～60 m 范圍內，采空區頂板垮落面積快速增大，頂板活動較劇烈，沿空巷道內圍巖變形量開始迅速增大，巷旁充填變形量也顯著增大；滯后回采工作面60～90 m 范圍內，此時采空區頂板基本垮落完畢，巷道表面及巷旁充填體變形速度逐漸減小；滯后回采工作面90 m 以上時，巷道表面及充填體變形量基本穩定，頂底板移近量160 mm，兩幫移近量210 mm，巷旁充填體橫向變形量235 mm，縱向變形量190 mm。巷道表面變形量及充填體變形量始終保持在可控范圍內，可滿足服務于下區段回采工作面的斷面需求，留巷支護效果良好。

5 結論

為提高屯蘭礦沿空留巷工藝效率，設計引入高水速凝材料巷旁充填工藝來替代混凝土沿空留巷工藝。以12509 皮帶順槽留巷為工程背景，通過理論分析給出巷旁支護體強度不應小于11.3 MN/m，設計巷旁充填體寬度2.2 m；結合巷道原有支護方案及生產地質條件設計留巷階段巷旁充填體補強支護、充填體頂板支護、巷內補強支護、留巷臨時支護方案。應用監測表明，巷道表面及巷旁支護體最大變形量：頂底板移近量160 mm，兩幫移近量為210 mm，巷旁充填體橫向變形量為235 mm，縱向變形量為190 mm，留巷支護效果良好，可進行高水速凝材料巷旁充填沿空留巷開采工藝的推廣使用。