沿空留巷高水充填体支护参数的设计及工业性实践

郝 宇

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿， 山西 古交 030200）

引言

传统小煤柱留设开采方式虽然可提高工作面煤炭的回采率，减少煤炭资源的浪费，但是其在工作面机械化开采程度低、推进速度慢。为解决上述问题，采用无煤柱护巷中的沿空留巷开采技术，不仅可增加煤炭资源的采出率，还可减少巷道的掘进工作量。但是，对于沿空留巷开采而言由于密封性能、支撑能力以及增阻速度等因素的影响导致在实际施工中留巷存在许多问题[1]。近年来，随着新材料及新技术的应用，通过高水充填材料实现对沿空留巷的充填是未来沿空留巷开采的关键技术。本文着重对沿空留巷高水充填体支护参数进行设计并对其工业性实践进行分析。

1 22301 工作面概述

22301 工作面地表东邻联校联营煤矿，西邻近风平岭断层，北靠近（原东镇矿）金之中煤矿，区内有屯马35 kV 二回路自西北向东北横穿工作面，同时兴能电厂排矸皮带走廊自西向东横穿工作面，区域地表以山地地形为主，切割强烈，沟谷纵横，地表分布有长畛沟、山牛沟、庙儿沟。经对地表调查走访，沟谷均为季节性沟谷，地表有四个蓝焰煤层气钻孔，工作面埋深357～458 m。22301 工作面井下位于北三盘区右翼，西接北三回风巷，东至北一盘区边界煤柱，与22118 采空区最短间距36 m，南邻22303 工作面（未布置），北邻B2301 工作面（未布置），其采掘工程平面图见图1 所示。

22301 工作面平均长度2 652 m，工作面倾斜长度205 m，工作面沿2 号煤层回采，煤层厚度4.15～5.50 m，平均4.75 m 煤层最大倾角8°，最小倾角2°，平均约4°。该煤层顶底板情况如表1 所示。

图1 22301 工作面采掘工程平面图

表1 煤层顶底板情况表

22301 工作面皮带顺槽断面为矩形，施工净宽为4.5 m，净高为 3.5 m，断面面积为 15.75 m2，沿 2 号煤顶板掘进。22301 对两段工作面进行支护。

2 沿空留巷高水充填支护参数的设计

为保证沿空留巷开采的安全性和有效性，需有效控制沿空留巷对应围岩的稳定性，确保其关键部位足够稳定。因此，针对沿空留巷高水充填体的支护结构保证其既能够减小围岩的应力，又能够有效控制围岩的变形[2]。沿空留巷开采常用的支护手段包括有基本支护和加强支护。其中，基本支护的手段包括有高强度锚杆支护、树脂锚固剂加长锚固支护、增加锚杆预紧力、提高锚杆延伸率、增强护表能力；加强支护主要通过液压支护设备对顶板和两帮的围岩进行控制[3]。

2.1 沿空留巷支护设计

针对沿空留巷支护的特殊性，结合屯兰矿22301 工作面的地质条件采用在基本支护的基础上对其采用加强支护。

2.1.1 22301 工作面的基本支护

1）第1 段支护参数（巷道开口至1 090 m）。顶板采用20 mm×2 400 mm 螺纹钢锚杆＋16 mm 圆钢梯子梁＋21.6 mm×6 300 mm 锚索＋10 号菱形金属网的联合支护方式；两帮采用20×1800mm 螺纹钢锚杆＋10mm 圆钢梯子梁＋10 号菱形金属网的联合支护方式。顶锚杆间、排距为1 000 mm×900 mm，帮锚杆间、排距为800 mm×900 mm；循环进度为900 mm，最大空顶距1 300 mm，最小空顶距400 mm。顶锚索间、排距为2 000 mm×1 800 mm，第1 段支护设计如图2 所示。

图2 22301 工作面第1 段支护设计（单位：mm）

2）第2 段支护参数（1 090 m 至开切眼）。第 2 段支护方式、参数基本与第1 段基本相同，除顶锚索采用两根一根隔排布置外，其他参数同前，见图3 所示。

2.1.2 22301 工作面的补强支护

经分析可知，沿空留巷围岩活动阶段，顶板变形剧烈，服务时间长。因此，必须在巷道基本支护的基础上，提高支护强度[4]。基于屯兰矿的地质与开采条件，参考其他煤矿沿空留巷工程实践经验，经井下观察初步补强方案为：

1）第1 段补强支护参数（巷道开口至1 090 m）。顶板支护参数不变，非采煤帮采用锚杆、锚索加强支护，每排锚杆在帮角处距底板250 mm 处补打一根锚杆，俯角20°，采用20 mm×24 00 mm 的锚杆，托盘130 mm×130 mm×10 mm 的锚杆托盘并配合16 mm 横向钢筋梯子梁和10 号菱形金属网；再在煤柱帮每2 排锚杆补打2 根21.6 mm×5 000 mm 锚索，分别距顶板700 mm 和2 300 mm 位置处，托盘为250 mm×250 mm×20 mm 的托盘并配合16 mm 的横向钢筋梯子梁，梯子梁规格为4 000 mm×50 mm。其补强支护见图4 所示。

图3 22301 工作面第2 段支护设计（单位：mm）

图4 22301 工作面第1 段补强支护设计（单位：mm）

第2 段补强支护参数（1 090 m 至回风措施巷后14 m）。顶板支护补强支护方式与参数为：每2 排锚杆补强3 根21.6 mm×6 300 mm 锚索，锚索间排距为1 500 mm×1 800 mm，距两帮分别为750 m，锚索托盘规格为250 mm×250 mm×20 mm，并配合16 mm 的走向钢筋梯子梁，梯子梁规格为4 000 mm×50 mm，靠采煤帮的补强锚索在支架后方补强，其他支护参数同掘巷。煤柱帮补强参数与第1 段相同。其补强支护见下页图5 所示。

3 沿空留巷高水充填体支护的工业性实践

为验证上述支护参数是否能够对工作面围岩进行很好的控制以及充填体的变形情况，本文对22301 工作面支护后充填体的横向变形和纵向变形进行监测[5]。

3.1 充填体的横向变形

经观测可知，距离工作面不同距离的充填体的变形情况不同，具体变形情况如图6 所示。

图5 22301 工作面第2 段补强支护设计（单位：mm）

图6 充填体横向变形随距离工作面的关系

如图6 所示，当距离工作面的距离小于54 m 时充填体的变形从18 mm 增大至201 mm，而且对应的横向变形速度为9.5 mm/d；当距离工作面的距离大于54 m 小于110 m 时，充填体的变形从201 mm 增大至350 mm，且对应变形速度为4.9 mm/d；当距离工作面距离大于110 m 时，对应充填体的变形区域稳定，保持在350 mm 左右。

3.2 充填体的纵向变形

经观测可知，距离工作面不同距离的充填体的变形情况不同，具体变形情况如图7 所示。

如图7 所示，当距离工作面的距离小于39 m 时充填体的变形从3 mm 增大至186 mm，而且对应的横向变形速度为18 mm/d；当距离工作面的距离大于39 m 小于113 m 时，充填体的变形从180 mm 增大至300 mm，且对应变形速度为49 mm/d；当距离工作面距离大于119 m 时，对应充填体的变形区域稳定，保持在350 mm 左右。4 结语

近年来，尽管小煤柱留设开采在很大程度上降低了煤炭资源的浪费，提升了工作面煤炭的回采率，但是，小煤柱开采仍会造成煤炭资源的浪费。为此，应推广无煤柱护巷开采在煤矿开采的应用。本文将沿空留巷开采技术应用于屯兰矿22301 工作面，并采用高水充填体对工作面进行支护，根据22301 工作面地质条件采用基本支护+补强支护的手段。实践表明，采用高水充填体护巷对应充填体的变形量很小，即验证了支护的有效性。