厚煤層巷旁充填圍巖控制技術研究

秦 偉

（山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治 046000）

在我國井工開采礦井中，特別對于高瓦斯煤層，需要足夠的新鮮風流通過巷道進入工作面，為此采用“兩進一回”通風方式[1-2]。而且隨著煤炭資源不斷枯竭，對其回收率提升變得尤為重要，故提出巷道巷旁充填的方式進行回采[3-5]。同時考慮到工作面不斷回采推進產生的采動應力場，不可避免地造成巷道圍巖破壞。因此，沿空留巷巷道內錨桿索支護方法以及柔模墻的強度是否可以較好控制巷道變形量，成為礦井安全生產的關鍵。

1 工程背景

霍爾辛赫煤礦位于山西省長治市南鮑村北，礦井主要開采3#煤層，煤層底板標高409～433m，煤層傾角1°～16°，平均6°。煤層結構簡單，煤層平均厚度為5m，普氏硬度為0.37～1。3#煤層之上依次為3.3m 泥巖、2.5m 的細粒砂巖；3#煤層之下依次為0.7m 泥巖、2m 砂質泥巖、1.5m 細粒砂巖、7m 泥巖。3308 工作面走向長445m，傾斜長250m，采用后退式綜采一次采全高開采方式。

3308 工作面和3309 工作面相鄰布置，3308 工作面布置有三條巷道，采用“兩進一回”的通風方式，保證足量的新鮮風流，如圖1 所示。隨著3308工作面的回采，在3308 運輸巷道采空區側采用巷旁充填留巷的方式為3309 工作面開采提供保障。3308 運輸巷為矩形斷面，巷道斷面（寬×高）為6.0×4.5m，采用錨桿索支護，如圖2 所示。頂板采用Ф22mm×2.4m 左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間排距950mm×1000mm，配Ф16mm、長度5900mm 鋼帶。采用Ф22mm×7300mm 錨索，頂板每排布置3 根，間排距為2000m×2000m。巷道頂板采用金屬網片規格為50×50mm。巷幫采用Ф22mm×2.4m 左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間排距為1000mm×1000mm，配W 鋼帶、金屬網。

圖1 工作面布置圖

圖2 3308 運輸巷道支護方案

考慮到采掘銜接緊張的問題，3308 運輸巷道采用巷旁充填技術，為接續工作面3309 留設巷道，待3308 工作面推過一定距離后及時采用擋矸支架沿切縫線擋矸，澆筑柔模混凝土墻體隔絕采空區，保證3308 運輸巷道穩定性。

2 巷旁充填技術

沿空留巷要保證3308 運輸巷道（寬×高）為4500mm×4500mm， 如 圖3 所 示。3308 運輸巷道采空區側巷幫充填支護采用C30 柔模混凝土澆筑墻體，澆筑混凝土墻（寬× 高）為1500mm×4500mm。

圖3 3308 運輸巷道巷旁充填支護方案

巷旁充填體是由柔性模板和內錨桿組成，形成封閉的三維空間，如圖4 所示。其中墻體內采用Φ20×1800mm 的螺紋鋼錨栓，兩側采用雙托板雙螺母固定。錨桿的間排距為750×600mm。螺栓兩端有高強度板、球形和尼龍墊圈。混凝土材料由42.5R 普通硅酸鹽水泥、沙子、碎石、專用外加劑和水組成，混凝土具體比例見表1。

表1 C30 混凝土中各組分比例

當3308 回采過程中，隨著開采空間的形成，煤層頂板發生運移變化，其側向直接頂垮落，但是不足以充滿開采空間，造成基本頂發生回轉下沉。此時基本頂弧形三角塊體B 在動靜載荷的作用下對3308 運輸巷道圍巖產生擠壓破壞，巷旁充填體能夠起到較好支撐作用，減緩基本頂弧形三角塊體B 旋轉角度，最終達到3308 沿空留巷巷道變形量少、保證采掘銜接正常的目的。

基于此，建立3308 運輸巷道巷旁充填體強度的力學模型，通過對巷道頂板特性和圍巖變形的分析，計算巷道頂板的強度。根據圖4，可以得到力學模型的變形協調方程：

圖4 3308 工作面力學模型圖

式中：

h1-煤層底板至基本頂與采空區矸石接觸點的距離，m；

a-沿空留巷巷道的寬度，m；

c-巷旁充填體的寬度，m；

l1-基本頂弧形三角塊體斷裂線位置至充填體的距離，m；

l-基本頂弧形三角塊體的長度，m；

k-采空區矸石碎脹系數。

則直接頂和巷旁充填體之間的豎向應力為：

式中：

Eb-巷旁充填體的彈性模量；

Ed-煤層頂板彈性模量。

根據3308 工作面的生產條件實際情況，可得到以下參數：h= 15.75m，h1= 8.2m，m=5m，k=1.05，a=4.5m，c=1.5m，b=4.5m， △b=1.5m，Ed=25GPa，Eb= 0.5GPa，l=23m。由于基本頂的斷裂線位置在采空區附近，故關鍵塊l1=0m。

將上述參數代入式（5），直接頂與充填體之間的豎向應力為23.6MPa。因此，充填體的強度大于23.6MPa，能保證3308 運輸巷道圍巖穩定性。

3 留巷效果

對3308 運輸巷道圍巖變形量進行監測，分別監測滯后3308 工作面300～200m 的頂底板移近量以及兩幫移近量情況，如圖5 所示。在200～245m 區間內，頂底板變形量急劇上升到98mm；在246～300m區間內，巷道變形量緩慢增加，最終保持在115mm左右。充填體變形量：在200～225m 區間內，變形量升高到17mm；在226～300m 區間內，巷道變形量基本保持不變。實體煤側變形量：在200～238m區間內，變形量43mm，在239～300m 區間內，巷道變形量緩慢增加，最終達到50mm 左右。

圖5 沿空留巷巷道圍巖變形量