新景煤礦3105工作面沿空留巷圍巖控制技術

高玉軍

(山西新景煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000)

1 工程概況

山西新景煤礦3105綜采工作面位于+525 m水平，煤層埋藏深度為470～610 m。3105工作面井下位于一采區南翼東部，南為3103工作面(已采)，西為蘆南二區7204工作面(已采)、7206工作面(已采)，北邊為本區3107工作面(未掘)，工作面東部為回風大巷，工作面巷道布置如圖1所示。3105工作面走向長1 515 m，傾斜長196～206 m，面積305 820 m2，煤層厚度為2.73～3.66 m，平均3.36 m。煤層老頂為4.66 m的灰白色中粒砂巖，成分以石英為主，長石次之；直接頂為3.43 m的灰黑色砂質泥巖，含植物化石碎片，局部被上部老頂砂巖沖蝕而不存在；偽頂為0.32m的深灰色高嶺石泥巖。直接底為6.39 m的灰黑色砂質泥巖，下部含砂量較多，與煤直接接觸處有一層0.03 m的泥質粘矸；老底為1.82 m的深灰色細粒砂巖。

圖1 3105工作面巷道平面布置

新景煤礦屬于高瓦斯礦井，為滿足工作面通風需求，共布置四條回采巷道，分別為3105進風巷、3105膠帶巷、3105回風巷和3105瓦排尾巷。該礦以往工作面采掘布置留設20 m的區段煤柱，回采巷道在本工作面回采完畢后即行廢棄，造成了工作面采出率和巷道利用率低，礦井采掘接替緊張的局面，故設計在3105工作面應用沿空留巷技術，將3105回風巷保留下來為3107工作面服務。

2 沿空留巷巷旁充填體寬度確定

巷旁充填體的穩定對于沿空留巷的成功起著非常關鍵的作用，合理的巷旁充填體寬度和強度有利于減小留巷頂板的下沉量并且能夠起到切斷采空區頂板的作用[1]。為合理地設計新景煤礦3105工作面沿空留巷巷旁充填體的參數，應用FLAC3D數值模擬軟件，根據3105回風巷具體的地質條件，模擬不同寬度充填體條件下的工作面回采，觀察留巷圍巖及巷旁充填體的穩定性，為巷旁充填體寬度的確定提供依據。模擬的充填體寬度分別為1 m、1.2 m、1.5 m、1.8 m、2 m，充填材料采用高水材料，水灰比為1.5∶1。3105回風巷掘進斷面為：寬×高=4.8 m×3.6 m，采用摩爾-庫倫屈服準則，建立模型尺寸為：長×寬×高=62 m×100 m×73 m，工作面平均埋深為550 m，上覆巖層簡化載荷為13.7 MPa。不同巷旁充填體寬度條件下沿空留巷圍巖變形破壞特征如圖2所示。

圖2 不同巷旁充填體寬度留巷圍巖應力分布

巷旁充填體支護屬于被動支護方式，工作面回采后采空區頂板回轉下沉，合理的充填體起到切斷巷道頂板的作用，使沿空巷道頂板與采空區頂板分離，從而減小巷道頂板的下沉。根據模擬結果可知，當充填體寬度為1.0 m和1.2 m時，充填體承載能力較小，充填體隨頂板下沉變形嚴重，沿空留巷圍巖失穩。充填體寬度為1.5 m時，充填體的承載能力有所提升，沿空巷道頂板下沉量明顯減小，充填體寬度繼續增大，沿空巷道圍巖的變形繼續減小，但是減小的幅度趨于平緩。隨著頂板下沉充填體壓縮變形，寬度逐漸增大，承載能力逐漸增強。巷旁充填體寬度由1.0 m增至1.5 m時，充填體內最大主應力由5.2 MPa提升至11.6 MPa，承受壓力的峰值增至2.23倍；巷旁充填體寬度由1.5 m增至2.0 m時，充填體內最大主應力由11.6 MPa提升至14.2 MPa，增幅僅為2.6 MPa，承受壓力的峰值增至1.24倍。綜上可知，充填體寬度為1.5 m及以上時，有足夠的支撐能力，能夠較好地維護沿空巷道頂板，綜合考慮施工、經濟等多方面因素確定充填體寬度為1.5 m。

3 沿空留巷巷內及充填體頂支護技術

為了解工作面回采期間沿空留巷圍巖的變形特征，采用UDEC數值模擬軟件[2-3]，根據新景煤礦3105工作面具體的圍巖條件，模擬在巷旁充填體支護的條件下工作進行回采，觀察沿空巷道及采空區頂板的破壞形式，模擬結果如圖3(a)所示。

根據留巷圍巖塑性區分布特征可知，工作面回采后留巷頂板具有較大的塑性區，巷旁充填區域頂板在靠近采空區一側離層明顯，留巷實體煤側肩角處圍巖處于彈性狀態，巷旁充填體由于頂板回轉下沉也出現了明顯的變形，實體煤側底角處圍巖也有明顯的塑性破壞。由此可知，沿空巷道圍巖的穩定性受到頂板下沉的影響很大[4]，若頂板采用垂直布置錨索進行支護，根據懸吊理論，需要較長長度的錨索才能錨固在穩定的巖層，因此設計采用斜拉錨索，將留巷頂板錨固在實體煤側肩角的穩定區內，這樣能夠充分調動肩角穩定地帶圍巖的自承能力。采用預應力錨桿和斜拉錨索支護后進行數值模擬，結果如圖3(b)所示，沿空巷道淺部圍巖塑性破壞范圍明顯減小，頂板穩定性很好，肩角穩定。

圖3 沿空留巷巷內支護模擬結果

4 沿空留巷圍巖控制設計現場應用

4.1 巷內基本支護

新景煤礦3105回風巷掘進斷面為4 800 mm×3 600 mm，頂板支護采用D22 mm ×2 400 mm 的左旋無縱肋螺旋鋼錨桿，每排布置6根，間排距為880 mm×900 mm，中部4根錨桿垂直頂板安裝，兩側錨桿分別向兩側傾斜20°安裝，錨固劑為兩支K2350樹脂藥卷，預緊扭矩250 N·m，錨固力200kN；錨索采用D18.9 mm×8 300 mm的高強錨索，每排2根，沿巷道中心線垂直頂板對稱布置，間排距為1 600 mm×900 mm，錨固劑為三支K2350樹脂錨固劑，預緊力不小于200 kN，錨固力大于400 kN；鋼筋梯子梁由直徑為16mm的圓鋼加工制成。兩幫支護采用D22 mm×2 400 mm 的左旋無縱肋螺旋鋼錨桿，每排布置5根，間排距為800 mm×900 mm，靠近頂角和底角的錨桿分別傾斜10°。支護示意如圖4所示。

4.2 超前工作面和滯后工作面加強支護

1) 超前加強支護：超前回采工作面20 m設置三道走向鋼梁，用1.2 m長頂梁和單體液壓支柱支撐。超前回采工作面40 m范圍內，在3105回風巷緊靠工作面側頂板安裝一排D22mm×8 300 mm的高強錨索，間距為800 mm，垂直頂板安裝。在距離實煤體幫640 mm處頂板打設一排斜拉錨索，錨索為D22 mm×8 300 mm的高強錨索，間距為800 mm，向煤體內側傾斜30°。工作面支架前移后，對裸露頂板用單體液壓支柱加鉸接頂梁進行臨時支護，支柱間距為1.5m，排距為0.8 m，充填體的充填施工在單體支柱之間進行。

2) 工作面后方加強支護：充填體成型后初期強度較低，為減輕工作面滯后支承壓力對充填體的擠壓，在工作面后方60 m范圍內留下一排單體液壓支柱進行加強支護，支柱間距為800 mm，距離煤幫2.4 m。加強支護示意如圖5所示。

4.3 巷旁充填體頂板支護及巷旁充填

1) 充填體頂板支護。采煤機割煤時，每割一刀(0.8 m)，將充填區域頂板裸露后，在液壓支架前方即將進行充填區域的頂板安裝兩根D22 mm×8 300 mm的高強錨索，靠近沿空巷道的一根緊貼充填體直接頂邊緣安裝，錨索間排距為1 200 mm×800 mm，靠近采空區一側的錨索向采空區傾斜10°安裝，錨索預緊力不小于200 kN，錨固力大于400 kN。如圖5所示。

圖4 3105回風巷基本支護(mm)

圖5 巷旁充填體頂板支護及加強支護示意

2) 巷旁充填體支護巷旁充填體寬度為1.5 m，每推進兩刀(1.6 m)充填一次，充填體長度為1.6 m，充填高度為3.6m，采用水灰比為1.5∶1的高水充填材料，材料在地面配制完成后運送到工作面充填料場，在充填泵內與水攪拌均勻后泵送至充填框架內，充填框架由鋼筋綁扎而成，充填體具有一定強度后進行脫模工作。巷旁充填體采用直徑為22 mm的對拉錨桿進行加固，錨桿間排距為900 mm×800 mm，靠近底板的錨桿距離底板400 mm，鋼筋網直徑為4.5 mm，網孔邊長小于80 mm。

5 應用效果

為考察3105回風巷沿空留巷圍巖控制技術的支護效果，在3105工作面回采期間布置圍巖位移觀測點，監測結果如圖6所示。由圖可知，3105回風巷在3105工作面回采期間，頂板最大下沉量為320 mm，底板最大底鼓量為200 mm，實體煤幫最大移進量為238 mm，充填體幫最大移進量為100 mm。綜上可知，3105回風巷沿空留巷期間圍巖變形量在可控范圍內，滿足為3107工作面服務的斷面要求。

圖6 巷道圍巖表面位移觀測結果

6 結 語

根據新景煤礦3105工作面具體地質條件，采用數值模擬確定了巷旁充填體的支護參數，選擇高水速凝材料作為巷旁充填材料，采用斜拉錨索增強留巷頂板的穩定性。通過現場應用并對沿空留巷圍巖位移進行監測，結果表明：頂板最大下沉量為320 mm，底板最大底鼓量為200 mm，實體煤幫最大移進量為238 mm，充填體幫最大移進量為100 mm。能夠滿足為3107工作面服務的要求。