新景煤矿3105工作面沿空留巷围岩控制技术

高玉军

(山西新景煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000)

1 工程概况

山西新景煤矿3105综采工作面位于+525 m水平，煤层埋藏深度为470～610 m。3105工作面井下位于一采区南翼东部，南为3103工作面(已采)，西为芦南二区7204工作面(已采)、7206工作面(已采)，北边为本区3107工作面(未掘)，工作面东部为回风大巷，工作面巷道布置如图1所示。3105工作面走向长1 515 m，倾斜长196～206 m，面积305 820 m2，煤层厚度为2.73～3.66 m，平均3.36 m。煤层老顶为4.66 m的灰白色中粒砂岩，成分以石英为主，长石次之；直接顶为3.43 m的灰黑色砂质泥岩，含植物化石碎片，局部被上部老顶砂岩冲蚀而不存在；伪顶为0.32m的深灰色高岭石泥岩。直接底为6.39 m的灰黑色砂质泥岩，下部含砂量较多，与煤直接接触处有一层0.03 m的泥质粘矸；老底为1.82 m的深灰色细粒砂岩。

图1 3105工作面巷道平面布置

新景煤矿属于高瓦斯矿井，为满足工作面通风需求，共布置四条回采巷道，分别为3105进风巷、3105胶带巷、3105回风巷和3105瓦排尾巷。该矿以往工作面采掘布置留设20 m的区段煤柱，回采巷道在本工作面回采完毕后即行废弃，造成了工作面采出率和巷道利用率低，矿井采掘接替紧张的局面，故设计在3105工作面应用沿空留巷技术，将3105回风巷保留下来为3107工作面服务。

2 沿空留巷巷旁充填体宽度确定

巷旁充填体的稳定对于沿空留巷的成功起着非常关键的作用，合理的巷旁充填体宽度和强度有利于减小留巷顶板的下沉量并且能够起到切断采空区顶板的作用[1]。为合理地设计新景煤矿3105工作面沿空留巷巷旁充填体的参数，应用FLAC3D数值模拟软件，根据3105回风巷具体的地质条件，模拟不同宽度充填体条件下的工作面回采，观察留巷围岩及巷旁充填体的稳定性，为巷旁充填体宽度的确定提供依据。模拟的充填体宽度分别为1 m、1.2 m、1.5 m、1.8 m、2 m，充填材料采用高水材料，水灰比为1.5∶1。3105回风巷掘进断面为：宽×高=4.8 m×3.6 m，采用摩尔-库伦屈服准则，建立模型尺寸为：长×宽×高=62 m×100 m×73 m，工作面平均埋深为550 m，上覆岩层简化载荷为13.7 MPa。不同巷旁充填体宽度条件下沿空留巷围岩变形破坏特征如图2所示。

图2 不同巷旁充填体宽度留巷围岩应力分布

巷旁充填体支护属于被动支护方式，工作面回采后采空区顶板回转下沉，合理的充填体起到切断巷道顶板的作用，使沿空巷道顶板与采空区顶板分离，从而减小巷道顶板的下沉。根据模拟结果可知，当充填体宽度为1.0 m和1.2 m时，充填体承载能力较小，充填体随顶板下沉变形严重，沿空留巷围岩失稳。充填体宽度为1.5 m时，充填体的承载能力有所提升，沿空巷道顶板下沉量明显减小，充填体宽度继续增大，沿空巷道围岩的变形继续减小，但是减小的幅度趋于平缓。随着顶板下沉充填体压缩变形，宽度逐渐增大，承载能力逐渐增强。巷旁充填体宽度由1.0 m增至1.5 m时，充填体内最大主应力由5.2 MPa提升至11.6 MPa，承受压力的峰值增至2.23倍；巷旁充填体宽度由1.5 m增至2.0 m时，充填体内最大主应力由11.6 MPa提升至14.2 MPa，增幅仅为2.6 MPa，承受压力的峰值增至1.24倍。综上可知，充填体宽度为1.5 m及以上时，有足够的支撑能力，能够较好地维护沿空巷道顶板，综合考虑施工、经济等多方面因素确定充填体宽度为1.5 m。

3 沿空留巷巷内及充填体顶支护技术

为了解工作面回采期间沿空留巷围岩的变形特征，采用UDEC数值模拟软件[2-3]，根据新景煤矿3105工作面具体的围岩条件，模拟在巷旁充填体支护的条件下工作进行回采，观察沿空巷道及采空区顶板的破坏形式，模拟结果如图3(a)所示。

根据留巷围岩塑性区分布特征可知，工作面回采后留巷顶板具有较大的塑性区，巷旁充填区域顶板在靠近采空区一侧离层明显，留巷实体煤侧肩角处围岩处于弹性状态，巷旁充填体由于顶板回转下沉也出现了明显的变形，实体煤侧底角处围岩也有明显的塑性破坏。由此可知，沿空巷道围岩的稳定性受到顶板下沉的影响很大[4]，若顶板采用垂直布置锚索进行支护，根据悬吊理论，需要较长长度的锚索才能锚固在稳定的岩层，因此设计采用斜拉锚索，将留巷顶板锚固在实体煤侧肩角的稳定区内，这样能够充分调动肩角稳定地带围岩的自承能力。采用预应力锚杆和斜拉锚索支护后进行数值模拟，结果如图3(b)所示，沿空巷道浅部围岩塑性破坏范围明显减小，顶板稳定性很好，肩角稳定。

图3 沿空留巷巷内支护模拟结果

4 沿空留巷围岩控制设计现场应用

4.1 巷内基本支护

新景煤矿3105回风巷掘进断面为4 800 mm×3 600 mm，顶板支护采用D22 mm ×2 400 mm 的左旋无纵肋螺旋钢锚杆，每排布置6根，间排距为880 mm×900 mm，中部4根锚杆垂直顶板安装，两侧锚杆分别向两侧倾斜20°安装，锚固剂为两支K2350树脂药卷，预紧扭矩250 N·m，锚固力200kN；锚索采用D18.9 mm×8 300 mm的高强锚索，每排2根，沿巷道中心线垂直顶板对称布置，间排距为1 600 mm×900 mm，锚固剂为三支K2350树脂锚固剂，预紧力不小于200 kN，锚固力大于400 kN；钢筋梯子梁由直径为16mm的圆钢加工制成。两帮支护采用D22 mm×2 400 mm 的左旋无纵肋螺旋钢锚杆，每排布置5根，间排距为800 mm×900 mm，靠近顶角和底角的锚杆分别倾斜10°。支护示意如图4所示。

4.2 超前工作面和滞后工作面加强支护

1) 超前加强支护：超前回采工作面20 m设置三道走向钢梁，用1.2 m长顶梁和单体液压支柱支撑。超前回采工作面40 m范围内，在3105回风巷紧靠工作面侧顶板安装一排D22mm×8 300 mm的高强锚索，间距为800 mm，垂直顶板安装。在距离实煤体帮640 mm处顶板打设一排斜拉锚索，锚索为D22 mm×8 300 mm的高强锚索，间距为800 mm，向煤体内侧倾斜30°。工作面支架前移后，对裸露顶板用单体液压支柱加铰接顶梁进行临时支护，支柱间距为1.5m，排距为0.8 m，充填体的充填施工在单体支柱之间进行。

2) 工作面后方加强支护：充填体成型后初期强度较低，为减轻工作面滞后支承压力对充填体的挤压，在工作面后方60 m范围内留下一排单体液压支柱进行加强支护，支柱间距为800 mm，距离煤帮2.4 m。加强支护示意如图5所示。

4.3 巷旁充填体顶板支护及巷旁充填

1) 充填体顶板支护。采煤机割煤时，每割一刀(0.8 m)，将充填区域顶板裸露后，在液压支架前方即将进行充填区域的顶板安装两根D22 mm×8 300 mm的高强锚索，靠近沿空巷道的一根紧贴充填体直接顶边缘安装，锚索间排距为1 200 mm×800 mm，靠近采空区一侧的锚索向采空区倾斜10°安装，锚索预紧力不小于200 kN，锚固力大于400 kN。如图5所示。

图4 3105回风巷基本支护(mm)

图5 巷旁充填体顶板支护及加强支护示意

2) 巷旁充填体支护巷旁充填体宽度为1.5 m，每推进两刀(1.6 m)充填一次，充填体长度为1.6 m，充填高度为3.6m，采用水灰比为1.5∶1的高水充填材料，材料在地面配制完成后运送到工作面充填料场，在充填泵内与水搅拌均匀后泵送至充填框架内，充填框架由钢筋绑扎而成，充填体具有一定强度后进行脱模工作。巷旁充填体采用直径为22 mm的对拉锚杆进行加固，锚杆间排距为900 mm×800 mm，靠近底板的锚杆距离底板400 mm，钢筋网直径为4.5 mm，网孔边长小于80 mm。

5 应用效果

为考察3105回风巷沿空留巷围岩控制技术的支护效果，在3105工作面回采期间布置围岩位移观测点，监测结果如图6所示。由图可知，3105回风巷在3105工作面回采期间，顶板最大下沉量为320 mm，底板最大底鼓量为200 mm，实体煤帮最大移进量为238 mm，充填体帮最大移进量为100 mm。综上可知，3105回风巷沿空留巷期间围岩变形量在可控范围内，满足为3107工作面服务的断面要求。

图6 巷道围岩表面位移观测结果

6 结 语

根据新景煤矿3105工作面具体地质条件，采用数值模拟确定了巷旁充填体的支护参数，选择高水速凝材料作为巷旁充填材料，采用斜拉锚索增强留巷顶板的稳定性。通过现场应用并对沿空留巷围岩位移进行监测，结果表明：顶板最大下沉量为320 mm，底板最大底鼓量为200 mm，实体煤帮最大移进量为238 mm，充填体帮最大移进量为100 mm。能够满足为3107工作面服务的要求。