近距离煤层下分层工作面沿空留巷支护技术应用研究

张 建

（霍州煤电集团汾河焦煤股份有限公司回坡底煤矿，山西洪洞 041600）

1 工程概况

霍州煤电集团下属的回坡底煤矿主要负责开采井田范围内的10#、11#煤层，10#煤层平均厚度2.67 m，11#煤层平均厚度3.3 m，11#煤层与上层煤层间距为7.3到8.2m之间，平均为7.8m，距离较近，煤层的平均倾角均为4°，属于近距离煤层，平均埋深220m，采用走向长壁后退式采煤工艺，顶板采用全部垮落法管理。10号煤层的采掘对下层煤岩造成了很大的影响，位于上层的10号煤层基本上已经开采殆尽，下层的11#煤层在其东部已经进入准备阶段，首采工作面已经进入回采阶段，11-101工作面与上分层10-101工作面巷道布置方式为11-1011巷内错10m，11-1012巷重叠布置，11-102工作面进入准备阶段，由于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，现该矿设计采用沿空留巷，但是由于没有相关的参考实例，需要对沿空留巷的具体参数进行设计研究，在保证生产安全的前提下取得最大的经济效益。

为满足综合机械化采煤设备运输、安装和使用要求，确保11-101工作面的轨道巷道作为11-102工作面运输巷服务期间安全可靠，需结合10#煤层开采对工作面顶板的影响，对下分层采煤工作面沿空留巷的相关参数进行研究，同时结合我矿11-1011运输巷支护方案，利用数值模拟、理论分析对11-1012轨道巷沿空留巷的维护支撑进行探究。

2 采空区下垂直应力分布特点

近距离煤层采用下行开采时，上层煤炭资源率先回采完毕，形成采空区，上覆岩层垮落堆积于采空区内，形成一个新的稳定结构，垂直方向上地应力作用在层间岩层上，对下层煤炭资源的采掘过程中顶底板的稳定性、完整性造成不利的影响。上层采空区边界的实体煤柱受力情况如图1所示[1]。

图1 采空区边界煤柱支承压力示意图

由图可以看出，采空区边界煤柱形成了一定程度的应力集中，应力集中系数由煤柱支承压力最大值比上在原始条件下地应力的大小得到，煤柱支承压力的峰值为Kγh，相关研究表明，K值一般为2～3.5之间，意味着煤柱附近，煤岩体应力为原始地应力的2到3.5倍；在远离采空区的区域支承压力为γh，煤岩体受到的支撑压力与原始条件下的地应力相同，即未受到采动的影响；在采空区下支承压力为K'γh，研究表明集中系数K'值一般在0.5～0.8之间，即采空区下碎裂的煤岩体对于层间岩层的载荷并不大，只是原始地应力的一半；由此可推知下层煤岩体地应力分布情况如图2所示。

图2 下层煤垂直应力分布示意图

从图1中可以看出下层煤体垂直应力分布特点为：上层采空区下垂直应力最小，采空区煤柱下边垂直应力具有一定的集中载荷，在远离采空区的位置，垂直应力为原始地应力。因此在进行下层工作面巷道的布置时应尽量避开煤柱下的应力集中区域，将巷道布置在上层煤层采空区下（应力降低区），11#煤层首采工作面的11-102巷采用重叠布置，巷道的垂直应力基本等于原始的地应力，更利于沿空留巷的维护。

3 巷旁支护

3.1 巷旁支护的理论基础

为了合理的确定11-1012轨道巷沿空留巷的支护方案，现以回坡底煤矿11#煤层在上层采空区下开采为工程背景，利用FLAC3D软件进行数值模拟[2]，分析11-101大采高工作面回采后，沿空留巷围岩裂隙发育及顶板垮落运移规律。

图3 沿空留巷巷道围岩裂隙发育及顶板垮落规律图

数值模拟结果如图3所示，10#煤层的10-101工作面回采对其底板煤岩体造成一定程度的损伤破坏，10#、11#煤层平均间距为7.8m，在11-101工作面的回采时，导致层间岩层裂隙发育及损伤破坏区域完全贯通，巷道围岩及顶板破碎相当严重，巷道变形量较大，围岩难以控制，对沿空留巷顶板围岩支护造成一定的困难。

观测沿空留巷围岩体的变形破碎情况可知，11-101首采工作面回采后，顶板围岩随之破碎垮落，层间岩层贯通10#煤层的采空区，垮落高度比一般的回采工作面大，岩体的碎胀性使采空区基本被碎裂的岩石填满，形成稳定的结构。沿空留巷的采空区侧，上部围岩也发生了断裂垮落，但是在锚杆、锚索及巷旁充填体的作用下仍然保持着可靠的截面形状，围岩和顶板基本没有裂隙的发育，并且由于充填体的作用，避免了采空区碎裂岩块涌入巷道，保证了巷道的安全。通过数值模拟，为沿空留巷的成功垫定了理论基础。

3.2 巷旁支护体参数的确定

3.2.1 充填材料

中国矿业大学侯朝炯[3]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，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，并且相对于岩石、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中。以此选择高水速凝材料作为回坡底煤矿沿空留巷支护的巷旁充填体，分析高水速凝材料本身特点，综合考虑经济效益、安全生产等多方面的因素，结合相关成功案例，最后将巷旁充填体的水灰比定为1.8∶1。

3.2.2 巷旁支护体宽度的确定

依据回坡底煤矿11-101工作面沿空留巷具体的工程地质条件，利用数值模拟软件模拟了在采空区下进行沿空留巷，工作面推进过程中不同宽度的巷旁充填体对巷道围岩变形的影响，综合考虑工作面安全生产的需要，人员材料的成本，最终确定合理的充填体宽度。

参考以往相关的沿空留巷的工程实例，通过理论计算分析，依次模拟沿空留巷巷旁支护体宽度分别为1m、1.4m、1.8m时工作面回采时巷道变形量，对不同条件下围岩的变形量进行对比，得到的相关数据详见图4。

图4 巷道围岩变形曲线

由巷道围岩变形曲线可知，图（a）为充填体变形图，在不同宽度的充填体条件下，充填体的水平变形量最大值均在距离顶板2.1m位置附近取到，煤层厚度为3.3m，即两帮的变形量集中在巷道的中下部；当充填体的宽度有1.0m增加到1.4m时，两帮的变形量显著的减小，而进一步增加到1.8m时，变形量只是略微的减小；由图（b）顶板下沉量曲线可以看出，距离充填体越远，顶板下沉量越小，即在实体煤位置顶板下沉量最小，说明充填体只能一定程度上减小顶板的下沉。当支护体宽度由1.0m增加为1.4m时，顶板下沉量急剧减小，继续增加充填体宽度，下沉量变化不大。

综合考虑在不同支护体宽度下沿空留巷巷道支护体变形量、顶板下沉量等因素，当充填体宽度为1.4m时，进行沿空留巷更加经济合理，并且巷道断面满足矿山工作面正常回采的要求，因此确定巷旁支护体宽度为1.4m。

4 巷道断面收敛变形量监测与分析

通过对巷道围岩表面位移观测数据分析可知：在工作面回采过程中，沿空留巷实体煤帮侧顶底板最大移进量为785mm，充填体侧最大移进量为595mm，两帮的最大移进量为530mm，由图（b）可知实体煤帮侧顶板最大下沉量为150mm，充填体侧为250mm，即充填体侧顶板下沉量要大于实煤帮侧。顶底板移进量主要是底板鼓起量，而煤帮侧底板鼓起量要远远大于充填体侧底板鼓起量，大概是充填体侧的1.2倍。综上可知，沿空巷道围岩变形量在可控范围内，经过卧底等巷道维护修复措施后可以很好的复用，满足下个工作面回采的需求。

图5 巷道围岩表面位移观测结果图

研究选取了巷旁支护体材料以及确定了巷旁支护体的具体参数。选择了高水速凝材料浇筑的巷旁充填体作为巷旁支护体。确定了巷旁充填体水灰比为1.8∶1；巷旁支护体宽度为1.4m。并通过工程实践、现场观测证明其安全可靠。