淺埋煤層沿空留巷巷旁鋼管混凝土墩柱支護技術

王士禮 劉維信 許振魯

（山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟寧 272063）

1 工程概況

11307工作面兩順槽沿煤層底板按中線全煤掘進，矩形斷面，上順槽凈寬度3.6m，高度3.4m，斷面面積12.24m2，下順槽寬度3.6m，高度3.2m，斷面面積11.52m2，支護方式為錨網梯索聯合支護。工作面布置如圖1所示。

3上煤層直接頂為泥巖，平均厚度3.32m，深灰色，泥質結構，水平層理，在泥巖頂部發育一層厚度為0.5m的薄煤層。基本頂以粉砂巖為主，平均厚度4.12m，淺灰色，薄至中厚層狀，水平層理，粉砂質石英砂巖，鈣質膠結。

3上煤層直接底為泥巖，平均厚度1.10m，深灰色，頂部微含鋁質，水平層理。底部為粉砂巖，平均厚度8.30m，灰白色，薄至中厚層狀，見細砂巖互層，上部見植物莖部化石。

圖1 11307工作面及其巷道布置平面圖

2 充填體參數設計

2.1 充填材料性能參數

在沿空留巷巷旁充填中，巷旁充填材料的性能，具有非常重要的作用，決定著沿空留巷的成功或失敗。受沿空巷道礦壓顯現規律影響，選取的巷旁充填的材料必須具有較高的支護強度和優良的性能，可縮性能好，高殘余強度，速凝早且強，具有良好的密閉性。

沿空留巷圍巖的穩定性受巷旁充填體強度的直接影響。巷道上覆巖層相互間不會出較大離層是建立在充填體能提供足夠的支護強度的基礎上，同時，在回轉過程中，直接頂與部分基本頂被切斷，有效地減少頂板下沉量與巷內支護支撐設備承受的載荷，為沿空留巷成功提供保證。CDKS高水分快速凝固材料是專門為沿空巷道研發的，該材料由甲料、乙料兩種組分構成，以質量比1:1配合使用，并能夠根據現場情況對材料的參數進行調整，以滿足不同施工工藝條件下使用。表1顯示了在實驗室條件下測量的CDKS高水分快速凝固材料的平均性能指數。通過工程類比，確定材料水灰比為1.8:1。在測得水灰比的條件下，新型高水速凝充填材料在2h、1d、7d的平均抗壓強度分別不低于1.8MPa、3.9MPa、5MPa。

表1 CDKS高水分快速凝固材料基本性能

2.2 充填柔模袋設計

由于充填柔模袋是柔性的，體積太大不利現場實際操作，在保證充填柔模袋滿足工作面日常推進度前提下，將充填柔模袋沿巷道走向設計為2.4m長。煤層厚度為0.7～2.8m，平均厚度為2.02m，以平均采高2.5m進行設計，具體施工時可根據實際情況進行調整，暫確定充填柔模袋的高度為2.8m，形狀與規格如圖2所示。充填柔模袋的進料孔直徑優選為120mm，進料管長度優選為不得小于550mm。選取充填柔模袋的材料時，應保證選取的材料具有抗靜電、阻燃性能，有足夠的強度，加工時，接縫要牢固、可靠，嚴格按設計要求加工。在實際充填工作中，當充填柔模袋的尺寸和上錨栓孔的位置不能滿足使用要求時，可根據生產任務、勞動組織情況和煤層地質條件變化適當調整。

充填柔模袋加工要求：

（1）進料口直徑為120mm，進料管長度不小于550mm，另一面的排氣管直徑為120mm，排氣管長度不小于550mm。

（2）充填柔模袋每面預留設8個錨栓孔，8個錨栓孔從上到下布置數量為3、3、2。錨栓孔直徑為60mm，錨栓套左右兩側外露的長度為150mm。如圖2所示。

（3）充填柔模袋共計5個面，無底面，方便人員進入袋內安裝對拉鋼筋(錨桿），設計高度2.8m，預留0.3m富余。在實際施工過程中，將多余的長度在底部位置向內折疊以達到防漏漿的目的。

圖2 充填柔模袋結構示意圖

3 巷旁充填支護補強

3.1 充填體位置確定

根據11307工作面上巷設計斷面寬度與巷內原有支護方式，充填體位置具有以下4種組合：（1）將充填體全部置于采空區；（2）將充填體的大部分置于采空區；（3）將充填體的大部分置于巷內，一小部分置于采空區內；（4）將全部充填體置于巷內。

沿空留巷寬度越大，使用越方便、越有利，但沿空留巷的難度也越大，所留巷道的礦壓顯現更為明顯，巷道后期維護工作量隨之增加。若留巷寬度不符合使用要求，則需要擴幫至使用要求，后期工作量也會增加。

綜合考慮巷道圍巖特性以及沿空留巷斷面的使用要求，確定采用方案一，將充填體全部置于采空區，位置如圖3所示。

圖3 充填體與沿空巷道平面位置示意圖

3.2 留巷超前支護補強

沿空留巷巷道，經歷兩次采動影響，礦壓顯現較強，巷道變形控制比較困難。11307工作面采用端頭支架進行端頭支護，支架的移動勢必會對上巷原來的頂板支護造成一定程度的破壞，加之該巷道留巷斷面較大、采高變化較大、煤層傾角較大、工作面仰斜開采，使沿空留巷難度顯著增大。為此，必須對上巷進行補強支護，以保證留巷的成功。具體補強措施為：在原巷道頂板兩排錨索中部位置補打1根Ф18×8000mm的低松弛鋼絞線錨索，排距為1.6m。

上巷工作面端頭超前加強支護不得少于30m，超前支護采用單體支柱配合π型梁架棚支護，一梁三柱，棚距為800mm，三排支柱距工作面煤壁側的間距分別為400mm、2400mm、3200mm。頂板較破碎時，支柱要支在硬底，穿鐵鞋掛好防倒鉤，在鉸接頂梁上架設道木，單體支柱初撐力不小于55kN。

3.3 巷旁充填作業臨時支護

端頭支架前移過程中對裸露頂板及時支護，方法為：首先，在架前掛金屬網，掛網區域寬度為7m，從巷道向采空區內側方向，充填體寬度為2.5m，行人空間為1m，剩余3.5m搭在切頂支柱靠近采空區側，對形成的矸石墻起擋矸作用。移架后在支架后補打頂板錨桿，錨桿采用Ф18×2000mm螺紋鋼錨桿，間距為1000m，排距為800mm，架前按1600mm排距打設。同時，支架前移后，在充填空間頂板上方補打Ф18×8000mm的低松弛鋼絞線錨索，間距為1.2m，排距為1.6m。為了強化對破碎頂板的支護效果，打錨桿時可沿工作面長度方向敷設梯子梁；其次，在端頭支架前移時及時采用單體支柱及鉸接頂梁對架后頂板進行臨時支撐，支柱間距為1000mm，排距1200mm。另外，必須在充填體采空區側支設兩道12～15m長的走向梁，走向梁間距為200mm，采用單體液壓支柱加金屬鉸接頂梁方式構筑。

4 巷旁充填工藝實施

4.1 巷旁充填工藝

高水速凝材料巷旁充填工藝流程如圖4所示。

4.2 充填工藝實施方法

（1）拆除最早充填框架和相應的固定點柱，安裝好本班充填框架并懸掛充填袋，架設、豎立固定點柱，依次向前推進形成正常循環。

（2）根據現場實際需要完成以上工作后，打電話通知注漿泵站開泵，并告知泵站需要的漿料量和實際充填高度。

（3）在罐裝充填過程中，密切觀察充填柔模袋周圍隨時發生的情況，發現情況及時處理。

（4）充填料快接頂時，向泵站發出信號，根據頂板實際情況決定是否拆頂板的道木。在充填體完全接頂后，將高壓注漿軟管從充填柔模袋中取出，用細鐵絲或細線充固定在填口。

（5）沖洗混合器和管路，在看到清水后通知注漿泵站停泵。

圖4 巷旁充填工藝流程

4.3 鋼管墩柱

自工作面開始推進后開始沿空留巷。先支設單體液壓支柱作為臨時支護，待工作面推進一定距離后，布置充填柔模袋形成矸石墻，緊貼矸石墻支設空鋼管墩柱。每支設10根墩柱進行灌注混凝土，待再次支設10根墩柱后開始回撤單體支柱，同時對墩柱進行灌注，以此形成循環。

5 沿空留巷的礦壓觀測及效果分析

自切眼與留巷三岔門向外200m范圍內，每50m施工一個頂板離層儀。開始灌注墩柱后，對灌注完的墩柱安裝壓力表以監測巷旁支護壓縮量和頂板下沉量，如圖5所示。

圖5 沿空留巷頂板下沉量及巷旁支護體壓縮量

由上圖可以看出，工作面推進后，在42m范圍內，頂板下沉顯著，受頂板下沉巷旁支護體壓縮量明顯。待工作面推進50m后，頂板下沉逐漸平緩，推進100m后，頂板、墩柱趨于穩定，巷道受壓趨于穩定。

6 結語

（1）通過工程實踐表明，在淺埋煤層采用充填柔模袋與混凝土墩柱作為巷旁支護，留巷速度快，施工工藝簡單，為以后王樓煤礦施工沿空留巷提供參考。

（2）工作面在推進42m內，頂板來壓明顯，巷道變形較大，墩柱受力壓縮量變化大。推進100m后，頂板下沉194mm，墩柱壓縮186mm，沿空留巷圍巖及墩柱受力趨于穩定，變形量控制在可控范圍內，達到理想效果。

（3）通過試驗表明混凝土墩柱具有很高的承載力，能有效地控制頂板的下沉和控制沿空留巷的穩定性。