复合顶板条件下沿空留巷围岩控制技术研究与应用

白志强

（山西潞安集团蒲县黑龙煤业有限公司，山西 蒲县 041200）

1 工程概况

潞安黑龙煤业1103 工作面所属的2#煤层位于山西组中下部，平均埋深210m，下距9#煤层间距为72.45~106.45m，平均86.45m。2#煤层厚0.9~1.45m，平均1.35m，不含夹矸，属薄～中厚煤层，煤层倾角0~20°，煤层结构简单，层位稳定，煤层顶板局部有一层伪顶约300~500mm，强度和稳定性较差。1103 工作面紧邻1101 工作面，沿煤层倾向布置，运输顺槽开口于2#煤层运输大巷，设计长度为531.4m；回风顺槽开口于2 号煤层运输大巷，设计长度为537.3m；切眼连接运输顺槽与回风顺槽，设计长度为150m。

设计将1103 运输顺槽沿空留巷后作为1105 工作面回风顺槽使用，为保证留巷稳定，在1105 工作面切眼后方多留20m 巷道，即设计1103 运输顺槽留巷长度为325m。留巷区域见图1。沿空留巷可以最大限度回收资源，避免煤体损失，提高煤炭采出率，但由于该矿没有可供参考的留巷经验和参考实例，需要对沿空留巷的具体参数进行相关研究，在保证生产安全的前提下取得最大的经济效益。

图1 沿空留巷区域示意图

2 高水材料巷旁充填沿空留巷技术

2.1 充填材料

中国矿业大学侯朝炯[1-2]等人基于对沿空留巷围岩受力分析，并结合传统巷旁支护的特点，研发了一种新的充填材料，即高水速凝材料。该材料通常由两种浆料组成，单独的浆液不会固化，在需要充填的位置进行混合、快速凝固。高水速凝材料具有便于运输、节省材料等优点，并且能承受较大的载荷。当载荷超出其承载的极限时，也不会立即失效，仍然拥有相当一部分残余强度和缓冲的能力，相对于岩石、混凝土等材料具有更长的使用期限，诸多特点使其相比于其他材料更适合用于采空区下巷道的沿空留巷。因此选择高水速凝材料作为黑龙煤业1103 工作面运输顺槽沿空留巷支护的巷旁充填体，综合考虑经济效益、安全生产等多方面的因素，将巷旁充填体的水灰比定为1.8:1。

2.2 巷旁充填体宽度设计

巷旁充填体的强度、稳定性除了与充填体的材料有关，另一个非常重要的因素就是巷旁充填体的充填宽度。在确定充填体宽度时，要考虑充填体能够支撑巷道顶板围岩最小的宽度，即以顶板岩层达到危险状况的断面为截面，得到弹性基础梁模型[3]。巷旁支护体与顶板相互作用的力学模型如图2 所示。

图2 沿空留巷力学模型

巷道顶板的力学模型，用极限平衡法分别建立岩块AB、BC 的力学方程。BC 岩块，垂直于倾角α方向受力平衡，得：

平行于α方向受力平衡，得：

以B点扭矩为0，得：

AB 岩块以A 点为支点，扭矩为0 可得：

式中：

α-煤层倾角；

c-留巷宽度；

d-充填体宽度；

h-煤层基本顶厚度；

Pq-巷旁支护体的切顶阻力；

ML-顶板岩层极限弯矩；

M0-A 点岩层残余弯矩；

q-顶板岩层的平均容重；

q0-直接顶自重；

△SC-基本顶垮落前B 端的下沉量，其计算式为：

其中：

e-BC 岩块的长度，其计算式为：

其中：

b-基本顶来压步距；

Lm-工作面长度。

根据黑龙煤业1103 工作面运输顺槽地质条件、邻近工作面开采情况，详细参数取值如下：煤层厚度为1.35m，工作面倾斜长度150m，周期来压步距18.0m，工作面平均埋深210m，基本顶厚度为3.41m，直接顶厚度1.09m，巷道宽度4.0m，上覆岩层容重为27kN/m3，基本顶岩层抗拉强度1.7MPa，煤体粘聚力为3MPa，内摩擦角30º，煤层倾角10°，将上述参数代入式（6），得到1103 工作面运输顺槽充填体的切顶阻力为8.15MN/m。

黑龙煤业1103 运输顺槽为首次进行高水材料沿空留巷，为保证充填体的切顶效果，提高其整体稳定性并保证采空区隔离效果，取安全系数1.2，当高水材料水灰比为1.8:1 时，则所需的充填体宽度理论计算值为1.135m。故确定1103 运输顺槽高水充填材料沿空留巷顶板条件较好时巷旁充填体宽度为1.2m，充填墙体置于工作面后方采空区煤层底板台阶上，内错煤层底板台阶边缘0.4m。考虑到工作面煤层顶板局部有一层300~500mm 伪顶，当顶板遇伪顶或顶板条件不好时，根据现场情况调节充填体高度，高度增高，因此沿空留巷巷旁充填体宽度确定为1.4m。

3 1103运输顺槽支护方案

（1）补强加固

1103 工作面运输顺槽掘巷时未考虑后期留巷，支护强度偏低，预计达不到留巷的需求，需对其留巷段巷道进行补强支护。补强支护应超前工作面60m 左右，具体措施如下：从留巷开始到留巷结束，在原两排顶板锚杆中间未打锚索位置补打一排2 根锚索，锚索型号Φ17.8×6300mm，靠采煤帮锚索距其300mm，然后间距900mm、1600mm 依次各打一根锚索，锚索用Ф16mm 圆钢焊制的规格2700×60mm 钢筋梯子梁相连。非采煤帮在原两排锚杆中间补打一排2 根锚杆，间排距1000×1000mm，锚杆采用Ф18×L2000mm螺纹钢锚杆，上面一根锚杆距顶板550mm，下面一根距底板750mm，锚杆用Ф14mm 圆钢焊制的规格1200×60mm 钢筋梯子梁相连。锚索托盘采用300mm×300mm×16mm 的碟形托盘，锚杆托盘采用150mm×150mm×10mm 的碟形托盘，顶锚索预紧力不小于250kN，锚杆预紧扭矩不小于300N•m。留巷开始到结束补强支护方案见图3 所示。

（2）充填体加强支护技术与方案

对于巷旁充填体的合理加固，能够很大程度上提高充填体的稳定性和支撑能力，因此根据实际条件及以往的生产经验采取如下的加固方式：

① 当顶板条件较好时，巷旁充填体高度为1.35m，采用对拉锚杆进行加强支护，锚杆间排距为0.9×0.8m，与顶底板距离分别为0.25m、0.2m。锚杆采用直径为22mm 的螺纹钢锚杆，钢筋梯子梁采用直径为14mm 的圆钢焊接而成，采用碟形托盘,型号：120mm×120mm×10mm；钢筋网所用钢筋直径为6.5mm，使用12#铁丝双股联网，钢筋网搭接部分不小于100mm。支护的详细情况如图4（a）所示。

图3 1103工作面运输顺槽补强支护图

② 当顶板遇伪顶或顶板条件不好时，充填体的高度为1.85m，对拉锚杆间排距调整为0.8×0.8m，每排3 根锚杆，与顶底板间距分别为0.15m、0.1m。此时充填体加固图如图4（b）所示。

图4 顶板充填体加强支护布置图

4 巷道断面收敛变形量监测与分析

（1）一次采动影响

在1103 工作面回采期间，对巷道围岩的变形及锚杆受力情况进行观测，结果如图5 所示。由图5（a）可知，运输顺槽两帮最大移进量为785mm，充填体顶板最大下沉量595mm，实体煤侧顶板最大下沉量为530mm，整体上来说沿空巷道围岩变形量在可控范围内，经过维护修复后可以很好的复用；由图5（b）可知，顶板锚杆受力最大约为85.0kN，帮锚杆最大为65.0kN，工作面采后80.0m 范围内，顶板和煤帮处锚杆受力均小于其破断极限，说明锚杆工作状态正常，对巷道围岩的控制起非常重要的作用。

图5 巷道变形及锚杆受力观测结果图

（2）二次采动影响

在工作面回采后对1103 工作面运输顺槽进行了维护，恢复了断面，在1105 工作面回采期间对留巷的围岩位移量进行观测，整理后得到图6 所示结果。1105 工作面回采过程中，超前工作面100m巷道围岩的位移开始增加，巷道两帮最大移进量为810mm，实体煤帮侧顶底板最大移进量为260mm，充填体侧顶底板最大移进量550mm，巷道围岩整体上稳定性较好，能够满足工作面生产的需求。

图6 巷道围岩位移监测结果图

5 结论

通过理论分析、数值计算确定了巷旁充填体的参数，选择高水速凝材料浇筑的巷旁充填体作为巷旁支护体，确定充填体的宽度为1.4m；对沿空巷道顶板及充填体进行支护加固，在1103 工作面回采期间对巷道围岩位移及锚杆受力进行监测，并在1105工作面回采期间对留巷的围岩位移情况进行观测，证明取得了很好的应用效果。