寺家庄煤业15117 大采高工作面沿空留墙支护研究与应用

刘 波

（潞安化工集团寺家庄公司，山西 晋中 045300）

1 工程概况

寺家庄煤矿15117 工作面开采15#煤层，煤层厚度5.2～4.5 m， 平均4.85 m， 煤层倾角13°～4°，平均8°。工作面顶板岩层为泥岩和粉砂岩，底板岩层为泥岩和砂岩。工作面采用一次采全高采煤工艺，采高5.4 m，循环进度0.8 m。15117 工作面进风巷沿煤层顶板掘进，巷道断面为矩形，掘宽×掘高= 5.2 m×4.1 m，巷道采用锚网索带支护。为缓解矿井采掘接替紧张，提高工作面煤炭回采率，在15117 工作面与15119 工作面采用沿空留墙技术。

沿空留墙技术原理：15117 工作面回采前，在巷道内构筑一道混凝土墙体，在15117 工作面回采完毕且覆岩运动稳定后，15119 工作面回风巷沿着混凝土墙体掘进，以此实现工作面的无煤柱开采，减少巷道掘进工程量。具体技术原理如图1。

图1 沿空留墙技术原理图

2 沿空留墙围岩应力分析

为确定沿空留墙合理的墙体厚度和围岩应力分布特征，采用FLAC3D数值模拟软件，建立长×宽×高= 150 m×80 m×70 m 的数值模型，固定模型四周水平方向上位移，限制模型底部在竖直方向上的位移[1-3]。

（1）沿空留巷墙体厚度分析。以寺家庄煤矿的地质条件及顶底板岩性为基础，设置对比分析充填墙体宽度为1.2 m、1.5 m 和2.0 m 时围岩应力分布特征，优化充填体宽度。不同充填墙体下的围岩应力分布结果如图2。

图2 不同墙体宽度下围岩垂直应力分布云图

通过分析图2 可知，沿空留墙作业时，在墙体宽度分别为1.2 m、1.5 m 和2.0 m 时，充填体内的最大垂直应力分别为22 MPa、20 MPa 和23 MPa。从图中能够看出，随着充填体宽度增大，围岩垂直应力分布并未出现大幅变化，垂直应力分布方面，随着充填体宽度增大，充填体的垂直应力变化较大，应力峰值呈现出先减小趋于稳定，随后又逐渐增大的趋势。当充填体宽度为1.5 m 时，充填体的荷载传递效果较好，且充填体在该宽度下所受的垂直应力最小，有利于巷道围岩稳定性控制。综合国内外现有研究成果及工程实践结果[4-6]，确定沿空留墙宽度为1.5 m。

（2） 留巷围岩应力分析。15117 工作面和15119 工作面回采期间围岩垂直应力分布如图3。

图3 一次和二次回采期间围岩应力分布云图

分析图3（a）和3（b）可知，15117 工作面回采期间，滞后工作面区域的垂直应力呈现为梯形分布，且滞后工作面煤帮一侧的垂直应力与未受采动影响区域相对比呈现出高应力范围明显增大的趋势。在工作面回采方向上，采空区顶底板垂直应力在回采方向上呈现出逐渐增大的趋势，采动影响下工作面垂直应力峰值向回采方向深部进行转移，超前支承压力的影响范围大于40 m，且在回采侧一帮煤体垂直应力的影响范围相对较大。15119 工作面回采期间，在二次扰动下，围岩体的水平应力向深部转移，垂直应力峰值逐渐提高，在超前工作面回采影响范围内，围岩水平应力场呈现出不对称分布特征，应力向回采方向一侧分流。

3 沿空留墙支护方案

3.1 支护方案

根据15117 工作面和15119 工作面的地质条件，结合沿空留墙墙体宽度及围岩应力的模拟结果，进行15117 工作面进风巷和15119 工作面回风巷支护方案的设计，具体支护方案如下：

（1）15117 工作面进风巷支护

① 基本支护：采用锚网索+钢带联合支护。锚杆为Ф20 mm×2200 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为960 mm×1000 mm。顶部锚索采用Ф17.8 mm×7200 mm 的1×7 股钢绞线，间排距为1920 mm×1000 mm，帮部锚杆采用Ф18 mm×2400 mm的螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，非回采帮一侧布置锚索加强支护，锚索在距顶板2.0 m的位置处布置，排距为2.7 m，锚索规格同顶板，如图4（a）。

② 沿空留墙支护：采用C40 柔模混凝土。墙体宽度1500 mm，墙体内部布置横向锚栓，墙体两侧表面布置钢筋网片。墙体锚栓规格为Φ22 mm×1650 mm 螺纹钢，锚栓间排距为800 mm×750 mm。在柔模混凝土墙体构筑完成1 d 后，进行锚栓预紧，锚栓预紧力为150 N·m。钢筋网片在横向和纵向布置，钢网片规格为Φ6.5 mm，网孔100 mm×100 mm，如图4（b）。

图4 15117 工作面进风巷沿空留墙支护布置示意图

（2）15119 工作面回风巷采用“锚网索+波纹钢带”联合支护

顶板支护：锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为Φ20 mm×2200 mm，间排距920 mm×1000 mm；锚索采用1×7 股高强度钢绞线，规格为Φ17.8 mm×7200 mm，间排距为1840 mm×1000 mm；钢带采用波纹钢钢带，钢带为6 孔，钢带眼间的间距为960 mm。

帮部支护：锚杆规格参数同顶板，间排距800 mm×800 mm，其中帮部顶板300 m 下方的锚杆与巷帮成15°布置（上倾），帮部最下一排锚杆距离巷道底板600 mm 布置，锚杆与巷帮成15°角（向下）。另外，为加强巷道帮部煤体的控制，在帮部距顶板2.0 m 的位置布置一排锚索，锚索布置在帮部三排钢带中间，帮锚索排距为2.7 m，如图5。

图5 15119 回风巷支护横断面图

3.2 效果分析

在15117 工作面回采期间，在15117 工作面进风巷侧浇筑了一道柔模混凝土墙体，因此15117 工作面进风巷在掘巷期间巷道围岩变形量较小，柔模混凝土墙体受力较小，15117 工作面垮落后无法进行围岩变形监测，故主要对15119 工作面回风巷掘进期间进行观测。在掘进工作面迎头布置表面位移监测站，持续进行监测，基于监测数据绘制出围岩变形曲线如图6。

图6 15119 工作面回风巷围岩变形量曲线

通过分析图6 可知，15119 工作面回风巷围岩变形主要集中在距迎头0～100 m 的范围内。当监测断面滞后迎头距离大于100 m 后，围岩变形速率大幅降低；当监测断面滞后迎头大于130 m 时，围岩变形量基本已经达到稳定状态，顶底板及两帮移近量不再变化，稳定在一个数值附近波动。从图中能够看出15119 工作面回风巷掘进期间顶底板及两帮变形量的最大值分别为220 mm 和240 mm。支护方案保障了围岩的稳定，满足回采巷道使用要求。

4 结论

根据15117 和15119 工作面的地质条件，结合沿空留墙技术原理，通过数值模拟软件确定墙体合理宽度为1.5 m，得出围岩在一次回采和二次回采期间围岩应力分布特征，设计15117 进风巷和15119 回风巷基本支护均采用锚网索+钢带的联合支护，墙体采用宽度为1.5 m 的C40 柔模混凝土+锚栓+钢筋网片。根据15119 工作面回采期间回风巷围岩变形规律，支护方案保障了围岩的稳定。