綜放工作面沿空留巷頂板下沉因素研究與控制技術

廉佳斌

（山西高平科興南陽煤業(yè)有限公司，山西 晉城 046700）

綜放沿空留巷是沿著采空區(qū)邊緣將上區(qū)段回采巷道保留下來供相鄰工作面開采使用[1-2]，具有提高資源采出率、減少巷道掘進量、改善工作面通風條件等優(yōu)點[3]。然而沿空留巷雖處于應力降低區(qū)，但巷道受多次采動影響，巷道頂板易產生大變形。本文以南陽煤礦3207 工作面沿空留巷為工程背景，對巷旁支護體側頂板下沉影響較大的幾個因素進行分析，以此為基礎提出相應的控制對策，并進行了工程應用。

1 工程概況

南陽煤礦開采的3#煤層平均埋深300 m，平均厚度5.31 m，煤層傾角5°，為近水平煤層。煤層直接頂為3.28 m 厚的細粒砂巖，基本頂為6.11 m厚的粗粒砂巖，直接底為2.67 m 厚的細粒砂巖，基本底為3.55 m 厚的粉砂巖。3207 回風巷為3026 進風巷采后進行的沿空留巷。3207 工作面傾向長度為180 m，走向長度為1868 m，采用綜合機械化放頂煤開采，工作面兩端各有3 架支架不放煤，采用全部垮落法處理采空區(qū)。

3207 回風巷為矩形斷面，巷道寬5 m，高為3 m，采用錨網索聯(lián)合支護方式。頂錨桿直徑22 mm，長度為2.5 m，每排布設6 根，間排距0.9 m×0.9 m。錨索直徑22 mm，長度為7 m，錨索采用三花布置方式。一排有兩根錨索時，則在距離兩幫角0.7 m處各打1 根錨索，一排有1 根錨索時，則在巷道頂板中部打1 根。錨索的排距為1.8 m。煤幫錨桿直徑為20 mm，長度為2.4 m，每排布設3 根，間排距為0.9 m×0.9 m。巷旁充填選用CHCT 膏體混凝土，充填寬度為2 m，高度為3 m。3207 回風巷巷旁支護體側頂板下沉較大。

2 頂板下沉影響因素分析

影響綜放沿空留巷頂板下沉因素較多，本文將從影響頂板下沉較大的4 個因素進行分析，分別為巷內支護阻力、巷旁支護體彈性模量、巷旁支護體寬度和巷道寬度。將4 個因素各選取一個取值范圍，為便于計算分析，采取單一影響因素數(shù)值變化，其它因素保持不變。采用公式（1）計算[4]頂板下沉量：

式中：θ 為關鍵塊回轉角，（°）；Em為煤體有效彈性模量，GPa；Ez為直接頂有效彈性模量，GPa；Ec為巷旁支護體有效彈性模量，GPa；h1為直接頂厚度，m；h2為頂煤厚度，m；M 為采高，m；△d 為巷旁支護體側下沉量，mm；d 為直接頂寬度，m；c 為巷道寬度，m；γz為直接頂容重，kN/m3；γm為頂煤容重，kN/m3；q0為基本頂給定載荷，MPa；α 為煤層傾角，°；fh為巷內支護阻力，MPa。

根 據(jù) 現(xiàn) 場 觀 測 可 得，θ 為7 °，Em為13 GPa，Ez為25 GPa，Ec為7 GPa，h1為3.28 m，h2為2.31 m，M 為3 m，d 為2.0 m，c 為5.0 m，γz為25 kN/m3，γm為15 kN/m3，q0為0.6 MPa，α為5°，fh為0.25 MPa。

（1）巷內支護阻力

巷內支護阻力fh實測值為0.25 MPa，變化范圍取值0.04～0.8 MPa，其它數(shù)值與礦上提供數(shù)值相同，代入公式（1）中，采用Matlab 進行計算，并將數(shù)值進行線性擬合，如圖1 所示。

由圖1 可知，巷內支護阻力與頂板下沉量顯著性相關，相關系數(shù)大于0.99，頂板下沉量隨著巷內支護阻力增大而減小。當巷內支護阻力為0.04 MPa時，頂板下沉量485 mm，當巷內支護阻力0.8 MPa時，頂板下沉量為372 mm，則頂板下沉變化量為113 mm，頂板下沉變化量較小。因此，為減少頂板下沉量，需在增加巷內支護阻力的同時加強巷旁支護。

（2）巷旁支護體有效彈性模量

巷旁支護體有效彈性模量Ec實測值為7 GPa，變化范圍取值0.03～30 GPa，其它數(shù)值與礦上提供數(shù)值相同，代入公式（1）中，采用Matlab 進行計算，并將數(shù)值進行二次方擬合，如圖2 所示。

圖1 巷內支護阻力與頂板下沉關系

圖2 有效彈性模量與頂板下沉關系

由2 可知，巷旁支護體有效彈性模量與頂板下沉量顯著性相關，相關系數(shù)大于0.99，頂板下沉量隨著巷旁支護體有效彈性模量的增大而減小。當巷旁支護體有效彈性模量為0.05 GPa 時，頂板下沉量最大為545 mm，當巷旁支護體有效彈性模量為30 GPa 時，頂板下沉量最小為331 mm，則頂板下沉變化量為214 mm。因此，可提高巷旁支護體有效彈性模量來減小頂板下沉量。

（3）巷旁支護體寬度與巷道寬度

巷旁支護體寬度d 為2 m，變化范圍1～4.5 m，其它數(shù)值與礦上提供數(shù)值相同；巷道寬度c 為5 m，變化范圍取值1～5 m，其它數(shù)值與礦上提供數(shù)值相同。分別代入公式（1）中，采用Matlab 進行計算，并將數(shù)值進行二次方擬合，如圖3 所示。

如圖3 所示，巷旁支護體寬度、巷道寬度與頂板下沉量顯著性相關，相關系數(shù)均大于0.99，頂板下沉量隨著巷旁支護體寬度增大而減小。當巷旁支護體寬度為1 m 時，頂板下沉量最大為598 mm，當巷旁支護體寬度為4.5 m 時，頂板下沉量最小為285 mm，則頂板下沉量變化較大，為313 mm。擬合曲線在巷旁支護體寬度為1～3 m 時，頂板下沉量變化較大，在3～4.5 m，頂板下沉量雖有減少，但趨于緩慢。頂板下沉量隨著巷道寬度的增大而增大，當巷道寬度為1 m 時，頂板下沉量為392 mm，當巷道寬度為5 m 時，頂板下沉量為494 mm，則頂板下沉變化量為102 mm，可以通過減小巷道寬度減少巷道下沉量。

圖3 寬度與頂板下沉關系

通過比較各因素頂板下沉變化量大小可知，巷旁支護體寬度為主要影響因素，其余各因素排序依次為巷旁支護體有效彈性模量、巷內支護阻力和巷道寬度。

3 控制對策

根據(jù)對不同影響因素分析結果，提出采用“錨網索+高水充填材料”控制方案：

（1）為了提高巷內支護阻力，減少圍巖破碎，采用加強長短錨索和鋼筋網聯(lián)合支護方案。

（2）為了提高巷旁支護體有效彈性模量，采用高水充填材料進行充填。

（3）為了增加巷旁支護體寬度和減小巷道寬度，可將巷旁支護體寬度由2 m 增加到3 m，巷道寬度由5 m 減少至4 m，即巷道寬度減少的1 m 進行了巷旁充填。

4 工程應用

針對控制對策，本節(jié)將實施具體的支護方案。將原巷道寬、高為5 m×3 m，改進為巷道寬、高為4 m×3 m，巷道支護參數(shù)在原有基礎上在頂板增加長錨索和加強短錨索。巷道布置平面圖、俯視圖如圖4、圖5 所示，支護參數(shù)具體如下：

（1）將原有長錨索采用三花布置現(xiàn)在改為每排4 根布置，錨索直徑為22 mm，長度為7 m，排距為1.8 m。

（2）加強短錨索直徑為22 mm，長度為4.0 m，間排距為3.2 m×1.8 m。

（3）巷道頂板和實體煤幫采用10 號鋼絲，鋼筋網尺寸為5.4 m×1.2 m，鋼筋網網格尺寸為80 mm×80 mm。

（4）采用高水充填材料進行巷旁充填，充填材料由硫鋁酸鹽水泥熟料為主的A 型材料和以石灰、石膏為主的B 型材料兩種組分組成。材料使用時按照1.6:1 的水灰比進行加水攪拌，采用雙液泵進行泵送，實現(xiàn)同步輸漿。按照體積比1:1 進行混合，兩種組分漿液混合后20～30 min 固化，充填體寬度為1.0 m，高度為采高3.0 m，一次充填長度為3.5 m。

如圖6 所示，沿空留巷圍巖位移變化規(guī)律基本一致。距離工作面10～30 m 范圍內，頂板下沉量急劇增加；距離工作面30～45 m 范圍內，頂板下沉量增加緩慢；距離工作面45 m 以后，頂板下沉量基本保持不變。說明距離工作面45 m 處圍巖變形得到較好控制。沿空留巷巷旁支護體側頂板最大下沉量為258 mm，巷道中部頂板最大下沉量為241 mm，可較好控制頂板下沉量，保持圍巖穩(wěn)定。

圖4 沿空留巷布置平面圖

圖5 沿空留巷俯視圖

圖6 沿空留巷頂板下沉量

5 結論

（1）通過比較各因素頂板下沉變化量大小可知，巷旁支護體寬度為主要影響因素，其余各因素排序依次為巷旁支護體有效彈性模量。巷內支護阻力和巷道寬度。

（2）采用“錨網索+高水充填材料”控制方案，沿空留巷巷旁支護體側頂板最大下沉量258 mm，巷道中部頂板最大下沉量為241 mm，可較好控制頂板下沉量，保持圍巖穩(wěn)定。