古城煤礦N1305工作面沿空留巷變形規律研究

＊李永盛 高放 楊彬

（1.山西潞安礦業（集團）有限責任公司古城煤礦 山西 046000 2.太原科技大學 山西 030024）

引言

沿空留巷作為一種無煤柱護巷技術是在現有煤炭資源開展過程中提高開采效率和綜采率的一種先進技術[1]。沿空留巷技術在無煤柱開采中具有極高的應用價值，煤井回采率提高10%，巷道掘進過程中巷道塌落維修費用降低30%～40%[2]。現有研究較多的是對充填體材料特性進行分析，缺少布置充填體后巷道整體穩定性參數及演變規律研究[3]。沿空留巷斷面變形率是衡量沿空留巷變形幅度及其是否破壞的重要指標，并且是反映充填體強度的重要參數指標[4]。

本研究提出了沿空留巷橫向變形與縱向變形的分析方法，目標是探究沿空留巷圍巖活動下斷面變形規律和相互作用機理，以及巷旁充填體在隨著煤層工作面前進開采過程中的承載力變化情況。多角度評析沿空留巷效果，為N1305工作面沿空留巷設計提供技術支撐。

1.沿空留巷技術參數

(1)N1305膠帶順槽地質與生產技術條件

工作面地面位于山西省長治市屯留縣境內。地表相對平坦，主要為耕地。N1305工作面為北一盤區備采工作面，西接N1303工作面（已回采），東接N1306工作面（設計工作面）。北面為實體煤，南面接東翼輔運大巷。地面標高為+915～+936m。工作面底板最高點標高+440.2m，最低點標高為+358.7m，最高點和最低點高差為81.5m。煤層埋藏深度：503.8～ 581.4m。N1305工作面上方為耕地，回采3#煤層。

N1305工作面采用走向長壁、后退式低位放頂煤一次采全高全部垮落式綜合機械化采煤法[5]。N1305膠帶順槽沿煤層頂板掘進，采用矩形斷面。支護形式為錨網索+梯子梁支護形式。N1305工作面膠帶順槽為N1305工作面主運輸巷，主要負責工作面的煤炭運輸，全長2329m，與N1306回風順槽之間凈煤柱為50m。沿空留巷為矩形斷面，凈寬5200mm，凈高3600mm，凈斷面18.72m2；沿煤層頂板掘進，在距切眼70m處落至底板掘進。

(2)煤層及頂底板情況

本研究3#煤層頂、底板巖石物理力學性質試驗成果見表1。隨著煤層開采，頂、底板巖石活動情況為：最初階段，頂板以旋轉下沉為主，充填體的效用主要是平衡直接頂及懸臂巖層的重量；當工作面繼續前移，直接頂及一定范圍內的老頂開始垮塌并碎脹，冒落矸石與老頂間空隙減小，老頂巖梁“大結構”逐漸形成，充填體形成支護；最后頂板巖層活動進入最后時段，受上位巖層分次垮塌與失穩影響，充填支護結構體的工作阻力會呈波動性，并逐漸趨于穩定。該過程中沿空留巷斷面載荷呈波動性變化，造成較大的變形直至進入穩定狀態。

表1 煤層及頂底板情況

2.沿空留巷觀測實驗方案

(1)觀測內容及觀測方法

巷道表面位移的觀測采用單十字布線法，即在巷道頂底板及兩幫中部布置基點，通過量測基點間的距離來確定巷道表面位移。巷道表面位移觀測布置如圖1所示。充填體承載采用鋼板加壓力計的方法觀測充填體承載情況，在充填體中部位置內置雙層鋼板，鋼板間加裝最大量程為60MPa的壓力傳感器。

圖1 巷道表面位移觀測基點布置示意圖

通過該觀測可以得知巷道表面位移的各個細節，圖1中各線段代表的意義如下：AB—兩幫移近量；AO—煤幫內移量；BO—充填體內移量；CD—頂底板移近量；CO—頂板下沉量；DO—底板鼓起量。

(2)觀測站點位布置

本試驗共布置4組礦壓觀測站，從N1305工作面推進長度40m開始布設。其測站布置如圖2所示。

圖2 四組測站點位布置示意圖

每個測站設置3組巷道表面位移測點和1組充填體承載測點。測站1的3組巷道表面位移測點分別布置在16#、17#、18#充填包處，即留巷里程37.2m、39.6m、42m斷面處。測站2的3組巷道表面位移測點分別布置在39#、40#、41#充填包上，即92.8m、95.2m、97.6m斷面處。測站3的3組巷道表面位移測點分別布置在58#、59#、60#充填包上，即138m，140.4m，142.8m斷面處，1組充填體承載測點布置在61#充填包，即144.4m斷面處。測站4的3組巷道表面位移測點分別布置在83#、84#、85#充填包上，即196.6m、199m、201.4m斷面處，1組充填體承載測點布置在86#充填包，即203m斷面處。

測站點的設置在充填體模板拆除后立即進行，每天中午12時對測站點位十字布線測量的長度數據和充填體內壓力傳感器壓力數據進行1次采集記錄，數據采集持續到前進的開采工作面距離測站4大于150m后停止采集。

3.沿空留巷表面變形結果分析

(1)巷道表面位移分析

通過對各觀測點巷道變形數據進行統計，得到頂底板最大移近量以及兩幫最大移近量，并對平均移近速率和斷面收縮率進行計算。根據實驗數據統計計算，沿空留巷頂底板最大移近量在239～202mm之間，平均移近量222mm，平均移近速率6.81mm/d；兩幫最大移近量在255～167mm之間，平均移近量212mm，平均移近速率6.44mm/d。巷道斷面收縮率在14.49%～11.78%之間，平均斷面收縮率13.38%。

為了得到所留巷道圍巖變形的總體規律，將每個測站點同一天的巷道頂底板移近量及兩幫移近量數據做加權平均處理，得到各個測站的巷道頂底板移近量及兩幫移近量曲線；然后對所得到的頂底板移近量及兩幫移近量分別進行多項式擬合，得到其變化趨勢線；最后將4條頂底板移近量曲線的趨勢線多項式求和，然后求平均值，得到所留巷道頂底板移近量總體變化曲線，并用類似方法得到所留巷道兩幫移近量總體變化曲線（因統計數據發現測站一、二與測站三、四處巷道兩幫移近量相差較大，故分別繪制了曲線）。最終得到的沿空留巷圍巖變形總體曲線如圖3，并依此做出巷道圍巖變形速度總體曲線（見圖4）。

圖3 沿空留巷圍巖變形量與距工作面距離關系曲線

圖4 沿空留巷圍巖變形速度與距工作面距離關系曲線

在工作面后方15m范圍內由于充填體采空區側支護的單體支柱沒有撤掉，所以頂底板和兩幫移近量增幅較小。巷道圍巖變形基本都是從工作面后方15.5m以上進行觀測的，故15m以前的巷道圍巖變形不在曲線范圍內。從圖3和圖4可以看出：①在工作面后方15～40m范圍內，巷道圍巖變形最劇烈，變形速度最快；②在工作面后方40～60m范圍內，巷道圍巖變形仍舊較劇烈，但變形速度逐漸放緩；③在工作面后方60～95m范圍內，巷道圍巖變形速度繼續放緩，并趨于穩定；④在工作面后方95m以后，圍巖變形速度幾乎為0，圍巖活動基本穩定。

(2)巷道充填體承載分析

以觀測站4為例對充填體承載進行了有效觀測。充填體承載曲線如圖5所示。

圖5 充填體承載壓力與工作面距離關系曲線圖

從圖5可以看出，在工作面后方9m左右處，充填體剛剛安設完畢，充填體承受的載荷為0；之后的7～8m范圍內由于充填體采空區側支護的單體支柱沒有撤掉，充填體承受的載荷很小；當充填體采空區側的支護設備撤掉以后，充填體載荷開始緩慢增加；工作面后方25～40m內充填體載荷急劇增大，40m左右處達到峰值5.8MPa；在40～60m內充填體載荷逐漸降低，60m以后充填體載荷穩定，并最終穩定在約5.2MPa左右。

4.結論與討論

對沿空留巷圍巖活動及充填體承載觀測所得數據進行分析，可以得到沿空留巷圍巖活動特點與充填體承載隨距工作面距離變化的規律：

各測點處的巷道頂底板移近量在202～239mm，平均為222m，數值相差較小，巷道兩幫移近量在167～ 255mm，平均為212mm，整個巷道的頂底板移近量和巷道兩幫移近量較為均衡。所留巷道圍巖表面變形較小，留巷效果比較理想。

在工作面后方15～95m范圍內，沿空留巷圍巖變形由劇烈到平緩，充填體變形速度由快到慢；在工作面后方95m后圍巖活動基本穩定，充填體變形速度幾乎為0。

充填體距工作面10～40m左右載荷呈擬二次函數急劇增大；40～60m內充填體載荷逐漸降低，60m以后充填體載荷趨向穩定。

本研究可完善N1305工作面圍巖條件下沿空留巷斷面變形數據，為同類條件下留巷提供技術支撐，并且充填體承載壓力變形數據為充填材料選用提供承載數據參考。