東曲礦大采高工作面沿空留巷技術應用研究

馬建紅

（西山煤電集團東曲礦，山西 古交 030200）

1 工程概況

山西焦煤西山煤電集團有限責任公司東曲礦目前正在進行8#煤層西部第二采區的回采工作。8#煤層厚3.35～5.01m，平均厚度3.87m，煤層傾角3～9°，平均為4°，屬于近水平煤層。228210工作面位于第二采區三條大巷西部，東側緊鄰采區軌道大巷，南為28212工作面（未掘），北為28208工作面（已采），西邊為本區邊界保護煤柱。28210工作面采用一次采全高走向長壁采煤法。工作面巷道布置詳情如圖1所示。8#煤層賦存穩定，結構較復雜，煤層內部含有一到兩層夾矸。8#煤層直接頂板多為砂質泥巖、泥巖或粉砂巖，厚約3.50m，直接頂下常有約0.5m的灰色泥巖或炭質泥巖偽頂，基本頂為砂質泥巖或中細砂巖，厚約5.00m；底板巖性多為泥巖、砂質泥巖或粉砂巖，厚1.82m。

圖1 28210工作面巷道平面布置圖

東曲礦為高瓦斯礦井，為滿足工作面通風的需求，每個工作面至少需要布置三條回采巷道，28210工作面三條巷道分別為28210運輸順槽、28210回風順槽、28210第二進風順槽。區段煤柱寬度一般為20m，工作面回采后其回采巷道一般直接廢棄，造成采空區內遺留了大量區段煤柱，導致礦井的資源利用率、回采率及巷道利用率很低，也帶來采掘接替緊張的問題。因此在28210工作面試驗應用沿空留巷技術，在28210工作面回采期間將其回風順槽保留下來為下個工作面所用。

2 沿空留巷巷旁充填支護體寬度確定

巷旁充填沿空留巷技術在我國得到廣泛的應用。該技術關鍵是巷旁充填體的寬度和高度及充填體的加固措施，合理的巷旁充填體寬度和強度對于減小留巷頂板的下沉量，提高留巷圍巖的穩定性起到非常重要的作用[1-2]。為確定28210回風順槽巷旁更加合理的充填體的寬度，采用FLAC3D模擬軟件進行研究。根據28210工作面具體的地質條件1:1建立數值模型，模型尺寸長×寬×高=207.5×160×70m，煤巖體為摩爾—庫倫彈塑性單元體，28210工作面埋深取250m，模型上部設置均布荷載為6.25MPa，巷道斷面為矩形，斷面尺寸高×寬=4m×4.5m。巷道的支護參數按照通常情況下的支護參數選取，三維數值模型如圖2所示。

圖2 三維數值模型

28210回風順槽設計采用高水速凝材料作為巷旁支護體的充填材料，材料的配合比通過實驗室確定為1.5:1，巷旁充填體的高度為4.0m。為合理確定充填體的寬度，通過建立不同充填體寬度條件下數值模擬，充填體寬度根據以往的生產經驗設計為1.8m、2.4m、3m、3.6m、4.2m，充填體的單軸抗壓強度為5.5MPa。由于篇幅所限，對模擬結果進行整理，在不同充填體寬度條件下進行28210工作面的回采，將工作面后方充填體內垂直應力的變化規律和28210回風順槽圍巖位移的變化情況給出，整理后得到圖3所示的結果。

根據圖3（a）所示的模擬結果可知，沿充填體長度方向，充填體內垂直應力的變化規律基本相同。隨著與工作面距離的增加，在工作面后方一定范圍內，充填體內的垂直應力達到最大。隨著充填體寬度的增大，其內部的垂直應力逐漸增大。充填體寬度由1.8m增加到2.4m，垂直應力增大最為明顯；充填體寬度由2.4m增加到3.0m，其垂直應力也明顯地增加；當充填體的寬度由3m繼續增大，其垂直應力增大的幅度很小。由此可知，充填體的寬度應在3.0m以上。根據圖3（b）所示的模擬結果可知，隨著巷旁充填體寬度的增大，沿空巷道圍巖的位移逐漸減小。當充填體寬度為1.8m時，巷道兩幫移近量達776mm，頂底板移近量達725mm，圍巖變形過大；充填體寬度增加到3.0m時，巷道兩幫移近量為630mm，頂底板移近量達561mm，圍巖位移減小明顯，基本滿足為下個工作面服務的斷面需求；充填體寬度繼續增大至3.6m，巷道圍巖位移量變化不大。因此，綜合考慮施工、經濟等多方面因素，設計28210回風順槽沿空留巷巷旁充填體寬度為3.0m。

圖3 不同巷旁充填體寬度模擬結果示意圖

3 沿空留巷圍巖控制技術

3.1 巷內基本支護和補強支護

（1）原有基本支護

28210回風順槽原有支護方式為錨網索聯合支護[3-4]，斷面尺寸寬×高為4500×4000mm，頂板選用Ф20×2400mm高強度螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800×800mm，每排布置六根，中部四根垂直頂板安裝，靠近兩幫的錨桿向外側傾斜10°安裝，錨固劑為兩支CK2360樹脂藥卷，錨固方式為加長錨固，錨固力不低于70kN。每隔三排錨桿布置兩根Ф18.9×6300mm的預應力錨索，間排距為1600×2400mm，沿巷道中心線對稱布置，垂直頂板安裝，錨固劑為一支CK2340藥卷和兩支M2340藥卷，錨固長度為1200mm，頂板鋪設規格為4700×1500mm的菱形金屬網。兩幫支護選用Ф16×1600mm高強度螺紋鋼錨桿，間排距為800×800mm，每排五根錨桿均垂直煤壁安裝，最下部一排錨桿距離底板500mm，采用一支K2350型和一支M2350型樹脂錨固劑加長錨固，金屬網規格為3500mm×1000mm。28210回風順槽錨桿錨索布置如圖4（a）所示。

圖4 28210回風順槽原有基本支護

（2）補強支護

28210工作面回采期間，超前工作面50m對其回風順槽進行補強支護，頂板補強采用Φ18.9×8000mm鋼絞線錨索，每排三根，在原有的兩排錨索之間布置兩排，均垂直頂板安裝，間距為1050mm，錨固方式與原有錨索相同。實體煤幫補強支護采用Φ20×2400mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800×1600mm，錨固劑為CK2340和Z2340錨固劑各一支。

3.2 巷旁充填支護

（1）充填體頂板支護

28210工作面采煤機割煤后采用錨網索對充填區域的頂板進行加固。錨索采用Φ18.9mm×8300mm的鋼絞線，鋪雙層網孔為35×35mm的菱形金屬網，錨索間排距為1750mm×800mm，每排五根，錨固劑采用一支K2335和兩支Z2360樹脂藥卷，錨索拉拔力不得小于120kN。充填體頂板及加強支護如圖5所示。

圖5 充填體上方頂板及加強支護示意圖

（2）巷旁充填及加強支護

工作面回采后，在支架后方進行巷旁充填，每次構筑的充填體尺寸為長×寬×高=3×3×4.0m，待充填體基本成型后安裝直徑為22mm的對拉錨桿，間排距為800×800mm，錨桿間通過由直徑14mm圓鋼制成的鋼筋梯子梁聯結，鋼筋網聯網要求使用12#鐵絲。巷旁充填體施工期間采用DZ單體液壓支柱配合鉸結頂梁對工作面前方20m和后方100m的回風順槽進行加強支護，支柱間排距為1200×1000mm。布置詳情如圖5所示。

4 應用效果

28210工作面回采期間在其回風順槽內布置圍巖位移監測點，監測結果如圖6所示。由圖可知，回采期間，超前工作面40m的回風順槽圍巖沒有明顯的變形現象，工作面回采至測點位置時，巷道兩幫移近量約為62.5mm，頂底板移近量約為110mm，圍巖穩定性較好，為工作面后方沿空留巷圍巖發揮承載能力創造良好的條件。28210回風順槽留巷支護完成后，工作面后方80m內圍巖出現明顯的位移并最終穩定不變，兩幫移近量最大為554mm，實體煤幫頂底板最大移近量為279mm，充填體幫頂底板最大移近量為376mm，斷面收縮率約為22%，經過修復后可以滿足使用要求。

5 結語

為解決西山煤電東曲礦礦井采掘接替緊張的難題，提高工作面采出率、巷道利用率，在該礦的28210工作面進行沿空留巷技術試驗，依據其地質條件進行數值模擬、理論分析，確定巷旁充填體的寬度為3m，設計了相關支護參數。現場應用及監測結果表明，28210回風順槽留巷斷面收縮率約為22%，經過修復后可以滿足使用安全要求。

圖6 巷道圍巖表面位移觀測結果圖