2013 薄煤層工作面沿空留巷實踐應用

李 軍

（山西煤炭運銷集團古縣東瑞煤業有限公司，山西 臨汾 042405）

1 工程概況

山西煤炭運銷集團古縣東瑞煤業公司井田面積4.871 3 km2，批準開采煤層為2#～9#，設計生產能力60 萬t/a。2013 工作面位于二采區，開采2#煤層，煤層厚度為1.12～2.95 m，煤層平均厚度為1.4 m，為薄煤層工作面。工作面巷道施工進度較慢，采掘接替比較緊張。為改善采掘接替緊張狀況，針對2013 工作面現場實際條件，進行了薄煤層工作面高水速凝材料沿空留巷技術研究[1-5]。

2 充填支護墻體寬度和水灰比確定

基于2013 工作面軌道順槽的地質工況，利用FLAC3D數值模擬軟件對沿空留巷充填體參數、沿空留巷圍巖應力分布特性、塑性變化情況進行研究，確定充填支護墻體寬度和高水速凝材料水灰比。

模擬煤層厚度設置為1.4 m，計算模型尺寸：長×寬×高=150.55 m×72 m×39.52 m，工作面巷道尺寸：寬×高=3.4 m×2.4 m。

2.1 充填支護墻體寬度確定

在不同寬度（0.9 m、1.2 m、1.5 m、1.7 m）充填支護墻體條件下，對巷道受采動影響時圍巖應力進行監測。從監測數據可知，充填支護墻體寬0.9 m時，頂板應力較大，在頂板中部產生破壞應力和拉應力，最大應力不大于原巖應力；充填支護墻體寬度為1.2 m、1.5 m、1.7 m 時，頂板整體性較好，充填支護墻體較好，應力分布較為均勻。

在不同寬度（0.9 m、1.2 m、1.5 m、1.7 m）充填支護墻體條件下，對巷道受采動影響時巷內塑性區域進行監測。充填支護墻體寬0.9 m 時，巷道圍巖變形較大，產生有拉應力破壞和剪切性破壞，上覆巖層旋轉彎曲下沉明顯，塑性區較大；充填支護墻體寬度為1.2 m 時，巷道圍巖變形量明顯變小，頂板下沉量較小，巷內頂板、實體煤幫、巷道整體的塑性區范圍明顯減小；充填支護墻體寬為1.5 m時，對比支護墻體寬度為0.9 m 時巷道圍巖變形量及塑性區明顯減小，對比支護墻體寬度為1.2 m 時巷道圍巖變形量及塑性區變化不明顯；充填支護墻體寬度為1.7 m 時，巷道圍巖變形量進一步減小，塑性區進一步減少，圍巖破壞以擠壓剪切為主，巷內支護非常穩定。

綜上，充填體1.2 m、1.5 m、1.7 m 時，巷道圍巖變形量較小，塑性范圍較小。綜合留巷成本和企業經濟因素，確定2013 工作面巷旁留巷充填支護墻體寬度為1.2 m。

2.2 高水速凝材料水灰比確定

確定模擬充填支護墻體寬度在1.2 m 時，留巷寬度為3.4 m 時，高水速凝材料在不同水灰比（1.0:1、1.5:1、2.0:1、2.5:1）條件下沿空留巷圍巖應力分布和沿空留巷變形量變化規律。

從模擬結果可知，當水灰比從1.0:1 增大到2.5:1的過程中，充填支護墻體最大應力從17.36 MPa 減小到2.60 MPa，實幫煤體最大應力從16.29 MPa 增大到17.81 MPa；水灰比為2.0:1 和2.5:1 時，充填支護墻體未出現穩定承載應力核，為完全塑性承載狀態，充填支護墻體穩定性差；水灰比為1.0:1 和1.5:1 時，充填支護墻體出現承載最強應力區，充填支護墻體承載能力較強，圍巖巷道較穩定。

從模擬結果可知，當水灰比從1.0:1 增大到2.5:1的過程中，巷道頂板下沉量從125.78 mm 增大到241.22 mm，墻體幫最大移近量從135.64 mm 增大到282.24 mm，實煤體幫最大移近量從3.84 mm 增大到13.74 mm。從整體上來看，沿空留巷圍巖變形量呈現逐漸增大趨勢。

綜上，確定充填支護墻體合理的水灰比為1.5:1，此時能較好地保障巷道圍巖的變形，保障煤礦開采的安全性。

3 工業性試驗

3.1 巷內增強支護

2013 工作面沿空留巷加強支護如圖1。

圖1 巷內增強支護布置示意圖（mm）

巷道頂板采用Ф17.8 mm×6200 mm 錨索，每排布置2 根，錨索間距1600 mm，排距1200 mm，采用一支CK2340 型錨固劑和兩支Z2355 型錨固劑進行錨固，安裝預緊應力不低于195 kN，錨索托盤為300 mm×300 mm×16 mm 的方形鋼板，中部孔徑為23 mm；實體煤幫采用Ф20 mm×L2200 mm螺紋鋼錨桿加固。

3.2 留巷段輔助加強支護

針對留巷巷道現場狀況，設計了留巷段輔助加強支護方案，如圖2。工作面前方30～35 m 位置處設置傾向架棚，主要由一字鉸接頂梁和單體液壓支柱組成，每排4 根，間距800 mm，排距1000 mm；工作面后方110～130 m 位置內設置傾向架棚，由一字鉸接頂梁和單體液壓支柱組成，每排3 根，間距1000 mm，排距1000 mm；在充填體靠近采空區一側采用擋矸支架加強支護。

圖2 留巷段輔助加強支護示意圖（mm）

3.3 充填支護墻體

充填支護墻體及加固方案如圖3。充填體內布置對拉錨桿，間排距為900 mm×900 mm，Ф14 mm 圓鋼焊制的鋼筋梯子梁，鋼筋網為Ф6.5 mm 鋼筋加工，12#鐵絲雙股聯網。

圖3 充填支護墻體成型技術及加固方案圖（mm）

3.4 效果分析

2013 工作面沿空留巷圍巖變形情況，如圖4。在工作面后方10～80 m，充填體側頂底板、巷道中部頂底板和兩幫的變形速度較快，變形量較大；在工作面后方80～120 m，充填體側頂底板、巷道中部頂底板和兩幫的變形速度較緩，變形量較大；在工作面后方120～170 m，充填體側頂底板、巷道中部頂底板和兩幫的變形速度較小，變形量趨于穩定狀態，此時充填體側頂底板、巷道中部頂底板和兩幫的最大移近量分別為348 mm、283 mm、167 mm。從以上數據分析可知，沿空留巷圍巖整體最大移近量較小，圍巖變形量小，圍巖變形控制效果較好。

4 結語

東瑞煤業2013 薄煤層工作面利用FLAC3D模擬軟件確定了充填支護墻體合理寬度為1.2 m，高水速凝材料合理的水灰比為1.5:1。從巷內增強支護、留巷段輔助加強支護、充填支護墻體成型技術等確定了沿空留巷支護方案。工業性試驗結果表明：沿空留巷圍巖整體最大移近量較小，圍巖變形量小，圍巖變形控制效果較好，支護技術滿足巷道圍巖維護要求，改善煤礦采掘接替關系，經濟效益顯著。