綜采工作面沿空留巷支護技術研究

宋亞階

(汾西礦業南關煤業,山西 靈石 031300)

南關煤礦在生產過程中面臨著采掘接替緊張、采煤工作面上隅角瓦斯積聚的難題，經統籌考慮，決定將3302綜采工作面回風平巷作為沿空留巷試驗巷道，一舉解決上述問題。本文針對綜采工作面沿空留巷支護技術難題，開展了相關研究。

1 工程概況

南關煤礦3302綜采工作面布置在山西組3#煤層中，該煤層底板標高為+682 m～+772 m，地面標高為+976.4 m～+1 120.5 m，煤層結構簡單，呈背向斜相間構造，煤層傾角2°～4°，平均3°，煤厚1.65 m～1.75 m，平均厚度1.72 m，穩定可采；3302工作面走向長1 450 m，傾向長180 m，采用傾斜長臂采煤法采煤。依據3301工作面回采期間瓦斯涌出情況，預計該工作面絕對瓦斯涌出量為12.2 m3/min，且煤塵具有爆炸危險性。3#煤層頂底板圍巖特性如表1所示。

表1 3#煤層頂底板圍巖特性表

2 沿空留巷巷道圍巖變形及控制機理

關鍵層理論認為，關鍵層破斷后會在沿空巷道上方形成“砌體梁”結構，其中，回轉下沉的關鍵塊B的一個支撐點在采空區松散破碎巖塊上，另一個在實體煤側。沿空留巷覆巖破斷模型[1-3]如圖1所示。

圖1 沿空留覆巖破斷模型

沿空巷道實體煤幫因受覆巖的應力集中作用而出現不可逆的塑性形變，更甚者發生破壞。巷道頂板會出現一定的破斷及冒落，充填墻體則隨關鍵塊B回轉下沉而發生一定的收縮變形。若關鍵塊B回轉變形劇烈，則充填墻體會發生失穩，頂板垮落，進而造成整個巷道的破壞。因此，控制關鍵塊B的穩定是沿空留巷支護的關鍵。

3 充填墻體設計

充填墻體設計要求：早期適應關鍵塊B下沉，中、后期具有高支護阻力。充填材料設計要求：混凝土坍塌度適宜，便于長距離泵送混凝土。通過大量試驗研究，確定充填墻體的材料組分、配比以及混凝土的強度，詳見表2、表3。

表2 混凝土充填材料配比表

表3 充填體材料強度測定

國內沿空留巷充填墻體設計經驗表明，充填墻體寬度不宜小于工作面采高的0.76倍，此礦取1.7 m。則充填墻體的工作阻力靜載荷見式(1)[4]。

(1)

式中：B1為巷道實體煤幫至切頂線的懸頂寬度，為留巷寬度與充填墻體寬度之和的1.2倍；B2為留巷寬度，取3.3 m；γ為巖石平均容重，取2.5 t/m3；m為煤層采高，取1.72 m；k為冒落巖石的碎脹系數，為1.25～1.5。取1.25。

基本頂來壓動載荷為靜載荷的2倍～4倍，則動載荷時充填墻體所受載荷為0.6 MPa～1.2 MPa，而充填墻體的強度24 h便可達到7 MPa，完全可以滿足承載要求。

4 巷內支護設計

3302工作面回風平巷沿空留巷后凈斷面尺寸為長3.3 m×寬2.7 m，巷內支護方式如圖2所示：實體煤幫布置3根Φ20×2 000 mm、間排距900 mm×900 mm的螺紋鋼錨桿、 2根Φ17.8 mm×6 000 mm、間排距900 mm×1 800 mm的錨索；頂板布置4根Φ17.8 mm×8 000 mm，間排距900 mm×1 800 mm的錨索、5根Φ20 mm×2 200 mm、間排距800 mm×900 mm的螺紋鋼錨桿(肩角處錨桿與水平方向呈80°布置)。

圖2 沿空留巷支護設計斷面圖(mm)

5 數值模擬

采用FLAC3D軟件建立了105 m×180 m×55 m的力學模型，模擬沿空巷道在工作面開采時的應力變化特征。由FLAC3D數值模擬可知，煤層尚未開采時，由于巷道的掘進及上工作面的采動影響，沿空巷道的實體煤幫、充填墻體便產生一定的塑性破壞。當工作面推進10 m時，由于煤體的采出，沿空巷道覆巖原有的穩定“砌體梁”結構遭到破壞，關鍵塊B回轉下沉，使得充填墻體及其外側頂板塑性破壞加大。當工作面推進30 m時，巷道的頂底板、兩幫塑性破壞進一步加大，底板出現一定的底膨現象[5]。當工作面推進80 m時，巷道圍巖應力趨于穩定，基本不再變化，此時，充填墻體仍具有較強的承載能力，經受住了工作面的采動影響；實體煤幫、底板塑性破壞范圍較大，圍巖變形較大。

由圖3巷道變形特征曲線可知：1) 頂板形變最大，最大值為180 mm，煤幫及底板次之，充填墻體最小，為35 mm。2) 距工作面前方30 m時，巷道圍巖開始發生形變，在工作面前方-20 m～5 m范圍內，由于沿空巷道上方穩定的“砌體梁”結構遭到破壞，巷道圍巖變形最為劇烈。因此，應在工作面前方30 m處加強巷道臨時支護，如使用單體液壓支柱配合方木一梁兩柱進行支護，在距工作面前方5 m及工作面后方20 m范圍內應強化巷道礦壓觀測，確保生產作業安全。

圖3 巷道形變特征曲線

6 結語

沿空留巷可以減少巷道掘進工程量，緩解緊張的采掘關系，在礦井中的應用日益廣泛。本文在對沿空留巷圍巖變形破壞機理分析的基礎上，對3302綜采工作面回風平沿空留巷試驗巷道的充填墻體的材料及配合比以及巷道的支護參數進行設計，模擬結果表明，采用的墻體材料及巷道支護參數可以保證巷道圍巖穩定。