沿空留巷充填體參數確定與支護方法研究

張 青

（翼城華泓煤業有限公司，山西 臨汾 043500）

1 工程概況

針對緩傾斜厚煤層綜放開采技術，為提高煤炭資源回采率，往往采用沿空留巷工藝，而巷旁充填體參數對于巷道的穩定性影響重大[1-2]。探究該技術應用下沿空巷道充填體參數優化，提出合理的支護方法，對保證沿空巷道穩定是非常必要的[3-4]。華堡煤礦主采3#煤層的3207 工作面，煤層傾角7°，平均厚5.3 m，采高2.6 m，工作面長度180 m，采用綜放采煤工藝。3207 工作面位于井田南部二采區，南為3208 工作面采空區，西為井田邊界，東為采區巷道，北為實體煤。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況

3207 工作面采用“Y”型通風方式，其中皮帶巷和軌道巷沿煤層底板掘進，皮帶巷和軌道巷為進風巷，皮帶巷采后進行沿空留巷，作為連通工作面和回風巷的回風通道（如圖1）。需研究巷旁充填體參數和沿空巷道一體化支護方法，以有效解決沿空巷道穩定性控制問題。

圖1 3207 工作面布置圖

2 沿空留巷巷旁充填體參數確定

在巷道圍巖屬性確定的條件下，充填體的強度和幾何尺寸成為影響沿空留巷成敗的關鍵要素。采用FLAC3D軟件[5-6]分析不同充填體參數下巷道所受應力及變形情況，模型尺寸為長×寬×高=350 m×300 m×100 m，模擬巷道尺寸為寬×高=5.8 m×3.0 m，模型底部及四周進行位移約束，模型頂部施加4.5 MPa 載荷等效于上覆巖層自重。煤巖體力學參數見表2。

表2 煤巖體物理力學參數

2.1 不同充填體寬度數值模擬分析

針對沿空留巷段充填體寬度，研究選取寬度為1.0 m、1.5 m 與2.0 m 三種工況進行分析。不同充填體寬度下巷道變形情況如圖2。對于沿空巷道，隨著充填體寬度的增加，巷道變形整體呈現降低趨勢，其中頂板最大下沉量分別為188 mm、133 mm與121 mm，底板最大底鼓量分別為75 mm、72 mm與71 mm，充填體側最大位移量分別為465 mm、273 mm 與242 mm，實體煤側最大位移量分別為57 mm、54 mm 與52 mm。可以看出，巷道充填體側變形發展受充填體寬度影響最為明顯。值得注意的是，對于寬度1.5 m 與寬度2 m 兩種工況，充填體側變形均較小，滿足巷道穩定要求。綜合施工材料成本考慮，確定合理充填體寬度為1.5 m。

圖2 不同充填體寬度下巷道變形量

2.2 不同充填體強度數值模擬分析

針對沿空留巷段充填體強度，研究選取強度分別為10 MPa、15 MPa 與20 MPa 三種工況進行分析。不同充填體強度下巷道充填體側垂直應力分布情況如圖3。可以看出，當強度為10 MPa 時，充填體側垂直應力為3.5 MPa；當強度為15 MPa 時，充填體側垂直應力為4 MPa；當強度為20 MPa 時，充填體側垂直應力為12 MPa。

圖3 不同充填體強度下巷道垂直應力分布情況

針對不同的充填體強度，數值模擬得到圍巖變形情況如圖4。對于沿空巷道，隨著充填體強度的增加，巷道變形整體呈現降低趨勢，頂板最大下沉量與底板最大底鼓量降低程度較小，基本呈現緩慢下降趨勢。隨著充填體強度的增加，沿空巷道兩側位移均顯著降低，特別是當強度為20 MPa 時，巷道整體變形較小，在允許范圍內。由此確定合理充填體強度為20 MPa。

圖4 不同充填體強度下巷道變形量

3 沿空留巷支護方法

3.1 巷道永久支護方法

3207 皮帶巷凈寬5800 mm、凈高3000 mm，凈斷面17.4 m2，原巷道頂板布置6 根錨桿及3 根錨索，兩幫布置3 根錨桿。為保證留巷圍巖的穩定，提出錨桿（索）加密補強支護方法，對巷道頂板由原來的每排6 根錨桿補強為8 根錨桿，錨桿間排距為800 mm×900 mm；頂錨索垂直巷道頂板布置，長度為6300 mm，兩邊錨索距巷道幫部距離分別為1050 mm 和350 mm，錨索間排距1500 mm×1800 mm。巷道兩幫每側打設4 根錨桿，長度為2500 mm，間排距800 mm×900 mm。巷道補強支護斷面如圖5。

圖5 巷道補強支護斷面圖（mm）

3.2 巷道臨時支護方法

1）掛設護頂擋矸金屬網

工作面機尾段液壓支架（共5 架）頂板鋪設聯接10#雙層金屬網，金屬網與巷道頂板金屬網搭接500 mm，采用雙絲三扣、隔孔相聯的方式聯接兩道。金屬網規格7 m×1 m，網孔50 mm×50 mm。

2）打設切頂邁棚木支柱

根據以往施工經驗，井下破壞的柔模混凝土墻體寬度普遍在0.8～1.0 m 范圍內，且以小于1 m 范圍居多。造成這一問題的根源是切頂擋矸支護沒有支設到指定位置，偏向巷道內，而留巷寬度一定，導致墻體寬度不夠。為此，支架移架后，提出沿預計的留巷充填體采空區側打設切頂邁棚木支柱，每排打設兩根，排距600～800 mm，圓木規格Φ200 mm×3000 mm。

3）單體支柱支護

通過現場調查，在工作面超前50 m 與滯后200 m 范圍應加強支護，采用“一梁三柱+π 型梁”支護方法。新澆筑的混凝土充填體，沿邊打設一排加強單體，排距0.8 m。混凝土澆筑5 d 后（約推進20 m），此排單體可依次回收。

4 實踐效果

為進一步證實方案的可靠性，對3207 沿空巷道穩定情況進行了現場監測，觀測巷道頂底板和兩幫變形情況，監測結果如圖6。沿空巷道變形穩定后，頂板最大下沉量為163 mm，充填體側最大位移量為218 mm，實體煤側最大位移量為146 mm，底板最大底鼓量為133 mm，3207 沿空留巷巷道穩定性控制效果良好。

圖6 巷道變形監測結果

5 結論

1）沿空巷道充填體側變形發展受充填體寬度影響明顯。巷旁充填體寬度越大，可承載的上覆頂板回轉下沉變形越大，越有利于沿空巷道的穩定。綜合施工材料成本等因素，確定合理充填體寬度為

1.5 m。

2）隨著充填體強度的增加，沿空巷道兩側位移均顯著降低，特別是當強度為20 MPa 時，巷道整體變形較小，充填體側位移減小40.4%，滿足穩定要求，確定合理充填體強度為20 MPa。

3）提出錨桿（索）加密補強永久支護與“掛設護頂擋矸金屬網+打設切頂邁棚木支柱+單體支柱”臨時支護的沿空留巷一體化支護技術，結合合理的巷旁充填體參數，通過現場實踐，沿空巷道最大變形量為218 mm，實現了3207 工作面沿空巷道的穩定。