巷旁支护材料的试验及应用

杨 扬

（山西焦煤集团有限责任公司杜儿坪煤矿， 山西 太原 030022）

引言

一直以来，提升煤矿生产效率、降低煤矿生产成本以及保证煤矿生产的安全性为煤矿企业的关键指标。在当前综采设备自动化水平已经满足实际生产需求的前提下，采煤技术及工艺的改进成为改进煤矿生产的主要途径之一。目前，无煤柱沿空留巷开采技术在提高煤矿资源的回收率、提升工作面巷道掘进效率以及匹配掘进与采煤速度的关系中具有现实意义[1]。然而，对于无煤柱沿空留巷开采技术而言其巷内支护已可满足实际生产需求，而巷旁支护还存在一定的缺陷，归其原因在于巷旁支护材料的选型不合理。本文着重开展巷旁支护材料的理论试验和实际应用效果的相关研究。

1 工程概况

本文以某煤矿3102 工作面为研究载体，3102工作面目前采用全部垮落法对其顶板进行管理，正在开采的煤层为3 号煤层，煤层的平均厚度为1.5 m，煤层平均倾角为9°，煤层普氏硬度小于3。经现场探测可知：该工作面瓦斯的绝对涌出量为0.15 m3/min，瓦斯相对涌出量为1.9 m3/t。3102 工作面的顶底板情况如表1 所示。

表1 3102 工作面顶底板情况

综采工作面顶板的垮落类型可分为主动垮落和被动垮落。对于3102 工作面而言，其顶板岩层的主要成分为细砂岩，而其对应底板的主要成分为泥岩和泥质砂岩[2]。综合分析，3102 工作面顶板主要垮落类型为主动垮落。因此，对整个工作面支护阻力计算时需充分考虑岩层自重载荷的作用。

2 工巷旁支护材料的试验研究

2.1 工作面沿空留巷的设计

基于3102 工作面地质、水文以及煤层的条件，该工作面采用综合机械化走向长壁前进式采煤法，在开采的同时将工作面上巷和下巷进行沿空留巷，工作面顶板采用全部垮落发管理。3102 工作面的总体布置如图1 所示。

图1 3102 工作面的总体布置图

3102 工作面采用锚杆+金属网+梁+ 液压支架对顶板进行支护；采用锚杆+金属网+梁对工作面上巷和下巷进行支护，除此之外，还对巷道端头进行支护和超前支护设计[3]。上述为3102 工作面的巷内支护设计。本文着重对巷旁支护设计进行研究。

2.2 巷旁支护的设计

为进一步保证工作面生产的安全性，在上述巷内支护的基础上对其巷旁进行支护，并提出采用袋+网+栓式矸石带的巷旁支护方式。具体支护形式如下页图2 所示。

将矸石装入塑料编织袋内堆放，并采用防护钢带在垂直和水平方向对装有矸石的塑料编织袋进行紧固，采用锚网进行封底封帮操作。结合相关理论计算确定巷旁充填的平均宽度为1.5 m，充填高度也为1.5 m。

图2 巷旁支护示意图

2.3 巷旁充填材料支护性能的试验

根据袋+网+栓式矸石带的巷旁支护思路，本文在某实验室中对其支护性能进行模拟，不同的是采用直径为0.5 mm 的沙子模拟煤粉，采用直径为10 mm、40 mm 的石子模拟煤矸石。本次试验所采用的核心设备为YE-2000 液压式压力试验机，该试验机所能够提供的最大负载为2 000 kN[4]。本节将对不同巷旁充填材料组合下对应的抗压强度进行对比分析。

1）沙子填装量不同的支护性能。分别对满袋、半袋以及2/3 袋填装量（沙子的直径为0.5 mm）的抗压强度进行对比。经试验可得：满袋沙子的最大承载压力为220 kN，半袋沙子的承载压力为240 kN，2/3 袋沙子的承载压力为260 kN；且2/3 袋沙子的最大位移量最小，仅为83 mm，与其对应的抗压强度最大值为1.38 MP。经试验得出：2/3 沙子填装量的支护性能最佳。

2）石子填装量不同的支护性能。分别对满袋、半袋以及2/3 袋填装量（石子的直径为0.5 mm）的抗压强度进行对比。经试验可得：当石子直径为10 mm时满袋石子的最大承载压力为230 kN，半袋石子的承载压力为210 kN，2/3 袋石子的承载压力为250 kN；当石子直径为40 mm 时满袋石子的最大承载压力为130 kN，半袋石子的承载压力为240 kN，2/3 袋石子的承载压力为280 kN。且石子直径为10 mm时，2/3 袋石子对应的抗压强度最大为1.12 MPa；石子直径为40 mm 时，2/3 袋石子对应的抗压强度最大为1.15 MPa。经试验得出：石子直径为40 mm 且装填状态为2/3 时，其对应的支护性能最佳。

3）混合装料的支护性能试验。在上述试验的基础上，对石子与沙子混合装料的形式下的抗压强度进行试验研究得出：当沙子质量为12.5 kg，石子直径为40 mm 且为2/3 装填量时的抗压强度最大，其对应的最大承载压力为285 kN，对应的最大抗压强度值为1.54 MPa。此外，在上述状态下验证不同水分状态下的支护性能可知：当水分为1%时混合填料且2/3 装填量的最大承载压力为1 100 kN，最大抗压强度为5.02 MPa[5]。

3 巷旁支护方案的应用效果

在第2 节中对巷旁支护材料不同组合形式下对应支护性能试验的基础上，将煤粉与煤矸石的混合填料且装填量为2/3 的充填材料应用于实际的巷旁支护中，并对采用常规充填材料下的支护效果和采用煤粉与煤矸石混合填料的支护效果进行对比，主要对顶板底板的移近量和两帮移近量两项参数进行对比，对比监测结果如表2 所示。

表2 不同巷旁支护材料的应用效果

如表2 所示，采用煤粉与煤矸石充填材料对巷旁支护效果优于采用常规充填材料的支护效果，其中顶板移近量仅为280 mm，两帮移近量仅为290 mm。

4 结论

无煤柱沿空留巷采煤由于其煤炭资源回收率高、采掘效率高等优势被广泛应用，其中巷旁支护作为该采煤技术相对薄弱的环节，本文开展了关于充填材料的相关支护性能试验和实际应用效果的研究，具体总结如下：

1）采用煤粉与煤矸石相混合的填料方式，并采用2/3 填装量且保证水分为1%时对应的承载能力和抗压强度性能最佳，即支护性能最佳。

2）实践表明，采用煤粉与煤矸石为充填材料的支护方式，其顶板移近量缩小量为350 mm，两帮移近量的缩小量为353 mm。