20108 運輸巷柔模沿空留巷技術研究及應用

任立峰

（山西鄉寧焦煤集團申南凹焦煤有限公司，山西 臨汾 042105）

沿空留巷技術是提高煤炭資源回收率、緩解采掘接替緊張的有效措施[1-4]，通過在采空區邊緣充填膏體材料、高水材料或超高水材料等漿體結合合理的支護手段，實現少掘巷道及取消區段煤柱的目的。本文以申南凹煤礦為工程背景，對柔模沿空留巷技術進行分析研究。

1 工程概況

申南凹煤礦目前主采2#煤層平均厚度4.2 m，結構較簡單，含1～3 層夾矸。2#煤層偽頂為0.95 m的泥巖，直接頂為3.5 m 的粉砂巖，基本頂為4.05 m 的細砂巖，直接底為1.25 m 的泥巖，基本底為3.7 m 的中砂巖。

原設計留設30 m 的區段煤柱，浪費大量的煤炭資源。因此，提出采用柔模沿空留巷技術提高煤炭資源回收率。

2 柔模沿空留巷技術研究

2.1 柔模充填體寬度設計

通過充分調研周邊地質條件相近礦井，柔模體寬度一般為0.5～1.5 m 范圍內，依據申南凹煤礦2#煤層賦存條件，借助FLAC3D數值模擬軟件，對柔模充填體寬度為0.7 m、1.0 m 及1.3 m 時，留巷變形情況進行分析，煤層頂底板巖層物理力學參數見表1。

模型長×寬×高=400 m×300 m×80 m，前、后、左、右、下表面均施加約束，上表面施加12.3 MPa 垂直荷載，巷道斷面寬×高=4.5 m×3.5 m。不同寬度柔模充填體巷道圍巖變形量如圖1。

圖1 不同寬度柔模充填體巷道圍巖變形量

如圖1 所示，當柔模充填寬度為0.7 m 時，巷道頂板下沉量最大值為140 mm，底鼓量最大值為50 mm，巷道實體煤側變形量最大值為50 mm，柔模充填體豎直位移約100 mm，水平位移較小，僅為15 mm。巷道頂板錨桿（索）變形量較大，其中錨索最大變形量為140 mm，錨桿最大變形量為100 mm，此時支護較為穩定，但由于錨桿（索）變形量大，存在一定的安全隱患。當柔模充填寬度為1.0 m 時，巷道頂板下沉量最大值為75 mm，底鼓量最大值為25 mm，巷道兩幫變形量最大值為35 mm，巷道頂板錨桿（索）變形量也明顯減小，支護效果明顯改善，巷道圍巖穩定性明顯提升。當柔模充填寬度為1.3 m 時，巷道頂板下沉量最大值為70 mm，底鼓量最大值為20 mm，巷道兩幫變形量最大值為30 mm，巷道頂板錨桿（索）變形量也有一定的減小，此時巷道圍巖穩定，支護效果良好。

柔模充填體寬度為0.7 m、1.0 m 及1.3 m 三種工況條件下，巷道圍巖應力值及變形量如圖2。

圖2 不同寬度柔模充填體巷道圍巖應力值及變形量

數值模擬結果顯示，柔模充填體寬度由0.7 m增大到1.0 m 時，巷道圍巖變形量、錨桿（索）變形量及巷道圍巖應力值都明顯改善，支護效果顯著提升；而當柔模充填體寬度由1.0 m 增加到1.3 m 時，巷道圍巖變形量、錨桿（索）變形量及巷道圍巖應力值改善并不明顯。雖然柔模充填體寬度為1.3 m時，巷道圍巖穩定性更好，但是柔模充填體寬度為1.0 m 時，巷道圍巖穩定性已經可以滿足現場的安全生產需求。綜合考慮現場工程量、勞動強度及經濟成本等，確定合理的柔模充填體寬度為1.0 m。

2.2 柔模充填體支護設計

綜合考慮材料運輸、強度及充填成本，結合周邊礦井的工程經驗，確定使用C30 混凝土作為充填材料。考慮到C30 混凝土良好的可塑性及可泵性，在充填初始階段存在一定的坍落度，為防止柔模充填體發生橫向變形，需要對柔模充填體施加水平約束。如圖3 所示，在柔模充填體內布置規格為Ф22 mm×1100 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm。

圖3 柔模充填體巷幫支護（mm）

3 現場試驗

3.1 柔模沿空留巷施工工藝

柔模沿空留巷技術主要可分為三個技術環節：1）在地面準備充填材料（包括充填混凝土及雙層高強度布制成的柔模）；2）將充填材料運至回采工作面；3）現場澆筑柔模充填體。在充填材料澆筑前，將準備好的柔模懸掛在指定位置并用螺紋鋼錨桿將其固定，以免注漿時柔模位置發生變化。柔模固定好后，即可注入攪拌好的混凝土漿液。

3.2 現場監測

在申南凹煤礦20108 工作面進行現場試驗，將20108 運輸巷采用柔模沿空留巷技術保留下來作為20110 回風巷使用。按照前述分析結果，柔模充填體寬度設計為1.0 m。沿空留巷技術最重要的評判標準就是所留巷道圍巖變形量能否滿足安全生產需求，為驗證柔模沿空留巷技術的留巷效果，對20108 運輸巷巷道圍巖變形量進行現場監測，在20108 運輸巷每隔50 m 布置一個監測點，共布置3個監測點，其中1#監測點布置在距離開切眼30 m位置。現場監測曲線如圖4。

圖4 巷道圍巖變形量監測曲線

如圖4 所示，三個監測點巷道圍巖變形量變化趨勢相似。在工作面回采過程中，巷道圍巖變形量不斷增大，直到監測點距離工作面80 m范圍以外時，巷道圍巖逐漸趨于穩定。當巷道圍巖穩定后，1#監測點兩幫移近量最大值為38 mm，副幫側頂底板移近量最大值為79 mm，巷中頂底板移近量最大值為109 mm，柔模側頂底板移近量最大值為141 mm；2#監測點兩幫移近量最大值為55 mm，副幫側頂底板移近量最大值為92 mm，巷中頂底板移近量最大值為151 mm，柔模側頂底板移近量最大值為225 mm；3#監測點兩幫移近量最大值為36 mm，副幫側頂底板移近量最大值為71 mm，巷中頂底板移近量最大值為112 mm，柔模側頂底板移近量最大值為145 mm。現場監測數據顯示，柔模充填體位置巷道頂底板移近量最大，主要表現為頂板下沉，最大變形量為225 mm，巷道兩幫移近量最大值為55 mm。整體來看巷道圍巖變形量并不大，可以滿足現場的安全生產需求。

4 結論

1）申南凹煤礦主采2#煤層合理的柔模充填體寬度為1.0 m；

2）充填材料選用C30 混凝土，為防止柔模充填體發生橫向變形，在柔模充填體內布置規格為Ф22 mm×1100 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；

3）采用柔模沿空留巷技術所留巷道，頂板下沉量最大位置為柔模充填體位置，頂板最大下沉量為225 mm，兩幫移近量最大值為55 mm，巷道整體變形量不大，可以滿足巷道復用的要求。