高水充填沿空留巷技術在馬蘭礦的研究應用

孫春生

（西山煤電（集團）有限責任公司，山西 太原 030000）

1 概況

馬蘭礦此前長壁工作面之間一般留設20 m 的煤柱護巷，為提高資源回收率，在10604 工作面進行了沿空留巷試驗。10604 工作面開采02#煤層，平均厚度2.17 m，上方基本頂為中細砂巖，碎脹系數為1.25，預留10604 軌道巷為下區段工作面回采服務，實現無煤柱開采。

2 高水充填沿空留巷技術及施工工藝

2.1 高水充填沿空留巷技術

高水充填材料，可在水灰比W/C 為1.3:1～3:1的范圍內快速凝結，有甲乙料兩類，兩種料通常搭配為同等比例使用。將甲乙料各自混合于水24 h 都不會出現凝結現象，而一旦將兩者相混合就會快速凝結硬化[1]。充填材料還具有結石率高、塑性好、凝結時間短、用量少、可滿足不同工程需要[2-6]等優點。

10604 工作面巷旁和巷內分別應用充填加固和錨梁網索加強支護技術，選用可縮量適量和支護強度足夠的充填體材料[7]來確保沿空留巷的使用效果。高水充填材料具備較大的可縮量，塑性也很好，可使上位頂板基巖層能夠旋轉下沉[8-9]。

2.2 施工工藝流程

10604工作面巷旁采用高水充填沿空留巷技術，其施工工序如圖1。

圖1 沿空留巷施工工序流程圖

3 沿空留巷支護技術與方案

3.1 巷內補強支護方案設計

3.1.1 頂板補強支護技術分析

（1）10604 軌道巷原支護

頂板、兩幫均采用Φ20 mm×2000 mm 螺紋鋼錨桿，間排距分別是950 mm×1000 mm、1000 mm×1000 mm，頂板、兩幫每排分別布置5 根、2 根；兩幫配合采用金屬菱形網支護，“矩型”方式布置，且上側幫錨桿距離頂板400 mm。原頂板錨索采用鋼絞線錨索，間排距為1900 mm×3000 mm，每排布置2 根錨索，分別安設在相應的兩排頂錨桿中間位置。

（2）頂板補強支護

補強錨索采用鋼絞線錨索，間排距為1600 mm×1000 mm，每排布置3 根，分別布置在相對應的兩排頂錨桿中間位置。

為驗證巷內頂板補強支護的實際效果，對比分析補強支護前后10604 軌道巷圍巖應力分布情況，分別得到結果如圖2、圖3。

圖2 補強支護前圍巖應力分布規律

圖3 補強支護后圍巖應力分布規律

圖2 中，頂板補強支護前，10604 軌道巷巷旁充填體及實煤體幫出現明顯應力集中情況，底板應力數值也相對較大，需加強支護。

圖3 中，在對10604 軌道巷進行補強支護以后，圍巖應力得到明顯改善，實煤體幫應力峰值向深部轉移，實煤體幫應力值出現明顯降低，同時巷旁充填體內應力狀態也得到大幅改善，對10604 軌道巷穩定起到積極作用。采取頂板補強支護后大幅改善圍巖應力，這是因為補強頂板支護后，提高了頂板完整性及承載能力，使得回采引起的側向支承應力在頂板中分布趨于均勻，同時，頂板的高承載性和均勻承載性間接降低了應力向底板傳遞，因此，10604軌道巷實體煤幫和巷旁充填體應力相對減小，圍巖應力環境得到大幅改善。

3.1.2 補強支護技術確定

10604 軌道巷在原錨網支護基礎上，加強支護一直應超前作業面100 m 以上。采取加強支護方案：一是補強頂板，在原頂板兩排錨索間補打錨索，選用普通鋼絞線錨索，型號Φ21.8 mm×6300 mm，間排距1600 mm×1000 mm，每排布置3 根錨索；同時選用高強度蝶形錨索托板，規格為300 mm×300 mm×16 mm，與頂板方向垂直打設。二是采取補打短錨索補強二次采煤幫，在原兩排錨桿間補打鋼絞線錨索，規格為Φ17.8 mm×4300 mm，一排補打3 根錨索，同時搭配托梁進行加強支護，規格為2200 mm×60 mm，并采用Φ14 mm鋼筋焊制而成，錨索間排距1000 mm×1000 mm，位于上方和下方的錨索距離頂板和底板間距均為300 mm，同樣搭配選用高強度蝶形錨索托板，垂直將錨索打設注入巷幫內。頂板和二次采煤幫補強使用的錨索預緊力均不小于250 kN。10604 軌道巷巷道補強支護方案如圖4。

圖4 10604 軌道巷巷道補強支護方案（mm）

3.2 巷旁充填加固支護技術與方案

3.2.1 充填體立模支護方案

每個充填班先將充填區域底板清理到硬底，然后按以下施工順序立模：

按線施工護模單體→架設護模鋼筋網→吊掛充填袋→穿對拉錨桿→對拉錨桿安裝錨桿托盤、螺帽。根據充填體的強度要求，護模單體下個循環可以拆除復用。

3.2.2 充填體加強支護

為使充填體材料的抗橫向變形和承載水平增強，采取將對拉錨桿布置于充填體內進行填充加固的技術。充填體規格為長3.6 m、寬2.2 m、高2.6 m。

對拉錨桿參數為：長度2400 mm，即超出充填體寬度200 mm，間排距是900 mm×800 mm，每模布置5 排，每排布置3 根，最上方和最下方的1 根對拉錨桿分別距離頂板和底板的間距為400 mm；采用規格Φ22 mm×2400 mm、強度MSGLW-500的螺紋鋼加工而成，同時配合鋼筋梯子梁，鋼筋梯子梁和碟形托盤的規格分別是2000 mm×60 mm 和120 mm×120 mm×10 mm。此外，使用鋼筋規格Φ6.5 mm 加工、并搭配12#鐵絲雙股聯網制作而成的鋼筋網。圖5 為10604 軌道巷旁充填示意圖。

圖5 充填體加強支護示意圖（mm）

待正式開始充填后，充填結束5 h 后就可回撤護模單體，充填體采空區側相比于端頭支架尾梁單體回撤滯后長度不得超出6 m。對護模單體支柱進行回撤過程，要先卸載單體，再將其采用麻繩或者鋼絲繩拽出。

4 效果

（1）對比分析10604 工作面頂板補強支護前后圍巖應力分布規律，補強頂板支護后10604 軌道巷實體煤幫和巷旁充填體應力相對減小，圍巖應力環境得到大幅改善。

（2）采取對巷內頂板和二次采煤幫補打錨索加強支護，巷旁采用高水充填材料充填加固技術進行沿空留巷，在充填體內布置對拉錨桿加固充填體，提升回采巷道利用率，實現無煤柱安全開采。

（3）應用沿空留巷技術后，10604 工作面完全取消了區段煤柱，按20 m 煤柱、留巷1620 m 計算，回收8.816 6 萬t 煤炭，創造效益約5000 余萬元，還減少巷道掘進時間，提高回采巷道利用率和生產效率。