原位留巷協同控制技術及底鼓治理研究

趙云佩，賈 靖

(1.冀中能源邢臺礦業集團有限責任公司，河北 邢臺 054000；2.河北煤炭科學研究院，河北 邢臺 054000)

隨著煤礦圍巖控制理論的發展、采掘支護技術的提高及巷旁充填材料性能的改善，沿空留巷已經在大采高煤層、綜放巷道、三軟煤層、千米深井、直覆硬頂等各種復雜地質條件下采用巷旁充填、切頂留巷等多種支護方式取得成功[1-7]。按充填體位置的不同，沿空留巷可分為原位、半原位和沿煤壁三種形式[8]。原位留巷的充填體位于采空區內，留巷變形大，圍巖控制困難；半原位留巷的充填體位于原支護內，巷道維護簡單，二次復用時需擴幫；沿煤壁留巷的充填體沿實體煤幫構筑，需要重新掘巷，實現了無煤柱開采。沿空保留下來的巷道一般頂板及兩幫治理效果較好，但底鼓量大，其中軟巖留巷的底鼓量可占頂底板移近量的80%以上，且呈現出非線性大變形的特征。隨著煤礦采深的增加和巷道斷面的增大，留巷底鼓現象越來越嚴重[7-9]。對于整個充填體位于采空區內的原位沿空留巷底鼓現象更為突出。在二次復用過程中需要返修，甚至反復2～3次，增加了大量的維修工作，嚴重影響了煤礦的正常生產及留巷效益的發揮。

1 工程概況

1.1 地質條件

左則溝煤礦2202工作面位于二采區南部，所采煤層為2#煤，工作面埋深約600m。煤層頂底板巖性如圖1所示。

圖1 2#煤頂底板巖性圖

1.2 生產條件

2202工作面開切眼長度180m，安裝液壓支架121架，推進長度約1300m，采用走向長壁綜合機械化開采，全部垮落法管理頂板。

2202運輸巷沿2#煤頂板掘進，為梯形斷面，凈規格為4.2m×2.7m(寬×巷中高)，錨網索支護。擬采用原位留巷技術將該巷道保留下來作為下一個工作面的回風巷。

2 原位留巷圍巖控制技術

2.1 原位沿空留巷控制機理

沿空留巷位于采空區邊緣，承受的是頂板巖層的載荷，掌握采場覆巖的結構特征及活動規律是實現沿空留巷圍巖穩定性有效控制的基礎。

根據關鍵層理論及相關的研究[10-12]，工作面回采過后，基本頂巖層在巷道邊緣附近破斷成規則塊體，塊體間相互擠壓咬合形成“砌體梁”結構，如圖2所示。砌體梁結構中，關鍵塊體B的旋轉下沉不可避免，在回轉過程中不斷向巷道施加壓力，直至接觸到采空區垮落巖石而穩定，最終處于頂板“給定變形”的狀態。

圖2 協同支護機理示意圖

2.2 協同控制技術關鍵

分析圖2可以看出，巷旁墻體不可能阻止塊體B的運動。在給定變形下，充填體不承擔頂板覆巖運動產生的作用載荷，僅承擔支承范圍內直接頂載荷，因此留巷圍巖控制的原則是初期適度讓壓，讓頂板卸載；后期保證支護強度，控制圍巖變形，由此提出了“斜拉錨索-U鋼-充填體”協同控制技術。

該技術的關鍵將斜拉錨索深入基本頂穩定巖層，懸吊充填體上方頂板，U鋼和臨時架設的單體支柱強制切頂，促使采空區頂板在充填體邊緣處垮斷，形成以煤幫為支撐點的穩定“懸臂梁”結構。超高水材料充填體具有一定的可縮性，初期適度讓壓，適應頂板回轉的給定變形，后期具有一定的支護強度，限制下位巖層破斷、垮冒。

在該協同支護體系中，斜拉錨索的懸吊和U鋼的切頂提高了頂板的完整性和承載性能，有助于降低巷旁充填體支護阻力，因此充填體不切頂，強度不宜過高，更多的是起到隔絕采空區、密閉保護巷道的作用。

2.3 原位留巷協同控制技術方案

結合2202工作面的地質生產條件，確定了“斜拉錨索-U鋼-充填體”協同控制技術的具體參數，如圖3所示。

圖3 原位留巷“斜拉錨索-U鋼-充填體”協同控制技術(mm)

1)充填體參數：參考相關研究成果[13，14]，充填體的寬度設置為1.8m，長度按日推進度確定，高度大于煤層采高200mm。超高水材料的水灰比為1.8∶1，終凝強度不低于5MPa。

2)充填體頂板支護：靠近采空區側補打兩排切頂單體柱，柱距500mm，充填體頂板補打Φ20mm×2000mm高強螺紋鋼錨桿及Φ21.6mm×8000mm錨索，間排距分別為800mm×800mm、800mm×1600mm。為提高充填體承載性能，在充填體中置入錨栓。同時在采空區側支設U鋼，并在U鋼上打孔，與錨栓相連，增加支護系統的穩定性。

3)巷內加強支護：沿原巷道頂板中間補打一排錨索，排距1600m。巷中支設三排單體柱，柱距為500mm，視留巷情況回撤。

4)實體煤幫支護：實體煤幫補打一排錨索，排距1600mm，實體煤幫的錨索用梯子梁沿推進方向連接到一起。

3 礦壓顯現特征及原因分析

3.1 現場施工

所留巷道為運輸巷，巷內鋪設有運煤帶式輸送機，超高水材料運輸、儲存困難，因此將充填站設置在運料巷內，距開切眼400m處。鋪設兩路外徑31.5mm、 強度不低于15MPa的鍍鋅鋼管經工作面刮板輸送機的電纜槽輸送至留巷地點，利用三通混合器接高壓膠管到充填包中。

主要設備為2ZBYSB18.0～5.4/5～15-55雙漿注液泵兩臺，一用一備，JDW-1000S水泥攪拌機4臺，A、B料各兩臺，實現連續制漿。

3.2 礦壓顯現特征

2202工作面是該礦第一個留巷工作面。因此，從第一個充填包開始就對巷道礦壓顯現情況進行了詳細的觀測記錄。

3.2.1 充填體應力監測

采用GBY-1B型數字采集系統，第一組三個傳感器放在9號充填包下，7月17日開始采集數據，頻率為5min。由監測結果可以看出，三個傳感器的應力最大值出現在7月25日凌晨3點，此時工作面位置距9號包約16m。此后充填體受力逐漸變小并穩定。

3.2.2 錨栓破斷情況

部分充填體上的錨栓出現了破斷的情況，由破斷情況可以看出，錨栓斷口沒有徑縮，斷口特征為脆斷。橫向裂縫的發展是造成錨栓破斷的主要原因，橫向裂縫達到錨桿橫斷面的50%，桿體的應力斷面不足以承受所受的載荷時，錨栓發生脆斷。

根據留巷記錄，7號充填包的錨栓7月23日首次出現斷裂、10號充填包的錨栓8月9日首次出現斷裂，斷裂時充填體距工作面的位置大約為15.3m、16.5m。

3.2.3 巷道變形特征

工作面充填13個包時2202工作面原位沿空留巷具有如下的變形特征：

1)變形以底鼓為主。整個巷道基本穩定，頂板下沉較小，最大值為200mm。底鼓相對較大，最大底鼓位置在4號、5號充填包處，為800mm。

2)滯后顯現。沿空留巷的巷道變形呈現明顯的時空特性。根據現場變形觀測，2202工作面受超前支承壓力影響較小，超前支護段巷道幾乎無變化，超前顯現不明顯，但當煤層開采之后巷道變形較大，到工作面后方30m左右達到穩定。

3)底鼓的組成。2202沿空留巷工作面前方底鼓幾乎為0，底鼓主要由采后底鼓、充前底鼓和充后底鼓三部分組成。采后底鼓量100～200mm、充前底鼓量200～300mm、充后底鼓量300～400mm。因此，巷道底鼓的治理應在工作面前方進行。

4)底鼓變形的不對稱性。2202工作面留巷底鼓具有明顯的偏態凸起特征，最大底鼓量出現在距實體煤幫1.1m處，向兩側逐漸減小。

3.3 原因分析

除了泥巖頂底板等自然因素外，現場的生產活動對巷道變形也有較大的影響。

1)滯后支護。充填區域未提前擴幫，都是移架后支護，從割煤到充填完成需要反復移架10次左右，加劇了對頂板的破壞。此時采用錨桿索支護時頂板已經出現了下沉變形。

2)未充分切頂。基本頂給定變形下，位于采空區的切頂支護切頂強度不足，造成充填體持續受到頂板壓力的影響，部分充填體的錨栓破斷、充填體出現壓縮變形。

3)底板反復擾動。巷道成形后，應力重新分布，兩幫受力增加，促進底板巖層內裂隙發育；工作面回采前，在超前支承壓力的影響下，底板有向巷內發生歸位變形的趨勢，但受到超前支護的阻礙，工作面回采后，單體柱回撤，對底板的壓力消失，巖層內積聚的能量通過底鼓的形式向巷道內釋放，從而造成底鼓。

4 控制措施及效果

4.1 控制措施

1)加強支護。現場礦壓觀測表明，工作面來壓步距約18m，因此應加強該段的支護。在保證巷內三排支護的基礎上，貼緊充填體打一排單體柱。該排單體柱作為充填體的臨時支護，在工作面后方20m回撤。

2)增加切頂支柱密度。靠近采空區的切頂支柱中心距調整為300mm，凈距離200mm，配鉸接頂梁，一梁三柱。

3)保持充填區域頂板的完整性。將架后支護改為架前支護，在工作面割煤后、移架前補打充填區域的頂板錨桿，2號和3號支架上方用工字鋼或π型梁背頂，嚴禁移架過程中將錨桿損壞。通過保持頂板的完整弱化巷旁支護的傳力效果。

4)補打底板錨桿。在工作面前方靠近實體煤幫巷道底板補打兩排Φ20mm×1800mm螺紋鋼樹脂底板錨桿，間排距為0.8m×1.0m。

5)其他措施。將錨栓改為Φ20mm的高強螺紋鋼錨桿，同時將梯子梁由橫向布置改為橫豎網狀布置。

4.2 控制效果

當前工作面已留巷約200m，采取以上措施以后，錨栓無斷裂情況出現，巷道變形較小，尤其是底鼓量明顯減小，采后和充前底鼓量幾乎為0，采后40m左右底鼓量達到穩定，約為300mm。巷道中高在2.5m以上，巷道圍巖控制效果明顯，巷道不需返修或只需簡單挖底即可滿足二次回采的要求。

4.3 效益分析

沿空留巷回收了區段保護煤柱的資源，減少了一條巷道的掘進，但留巷本身及后期維護也會有一定的費用，留巷經濟效益計算見表1。2202工作面運輸巷留巷長度約1200m，可節省496.8萬元，效益可觀。

表1 留巷經濟效益計算 元/m

5 結 論

1)原位留巷圍巖變形劇烈，基本頂巖層斷裂，關鍵塊體B的旋轉下沉不可避免，在回轉過程中不斷向巷道施加壓力，直至接觸到采空區垮落巖石而穩定，最終處于頂板“給定變形”的狀態。

2)“斜拉錨索-U鋼-充填體”協同控制的技術關鍵是斜拉錨索懸吊充填體上方頂板，U鋼支柱配合單體柱強制切頂的作用，形成穩定的“懸臂梁”結構。充填體不切頂，強度不宜過高，更多的是起到隔絕采空區、密閉保護巷道的作用。

3)協同控制技術的現場應用表明，巷道頂板穩定，但底鼓量相對較大，通過及時切頂、架前支護、補打底板錨桿等措施顯著降低了巷道變形量，減少了巷道維修，經濟效益顯著。