柔模混凝土支护沿空留巷技术应用研究

王丽军

（沁和能源集团有限公司永红煤矿，山西 晋城 048000）

沿空留巷的工作面设计能够有效加快工作面的圈成速度，而且可以不用留设保护煤柱，提高回收率，提高经济效益。沿空留巷可以采用一进两回的通风方式改善工作面通风条件，解决了U 型通风工作面瓦斯积聚的问题，使工作面的生产条件得到安全保障，因此被广泛应用[1-4]。但在深部矿井中，由于井下的高应力环境，沿空留巷的围岩变形情况一直得不到有效解决，受工作面二次采动的影响，巷道围岩破碎更加严重，致使留巷内的支护效果降低，巷道大量变形，不得不进行频繁巷修以保证工作面顺利回采。为了解决这一问题，永红煤矿决定在原有的锚网、索以及超前支护的基础上，着重对留巷的采空区侧巷帮使用柔模混凝土进行补强支护，通过矿压监测评价其应用效果，为类似的深部开采矿井积累提供可参考的实际技术参数。

1 概况

永红煤矿1503 综采工作面位于15 采区，主采15#煤层，为突出煤层。该煤层发育平缓、结构简单，煤厚2.9～5.2 m，平均煤厚4.05 m，煤层倾角0°～13°。15 采区水平主应力14.28～26.70 MPa，垂直应力为18.81 MPa，属于高应力采区。为保证1503 综采工作面回采期间沿空留巷大变形，决定在该工作面进行柔模混凝土护帮技术应用。

2 留巷原支护方案

1503 综采工作面巷道沿煤层顶底板掘进，矩形断面，巷道净宽4.2 m，净高4.0 m，原支护形式为高强度锚网索+锚杆综合支护。工作面在回采期间采用超前支护减少采动对巷道围岩的破坏影响[5-6]。

2.1 支护参数

巷道顶板锚索长度5.2 m，直径21.8 mm，材质为1860 级钢绞线，打设间距为0.9 m，排距0.8 m，使用MSZ-23-120 型锚固剂，菱形金属网；巷帮使用锚索长度4.2 m，直径17.8 mm，材质同为1860级钢绞线；锚杆长度为2.5 m，直径为18 mm，回采侧巷帮打设间距为0.8 m，排距为0.8 m，煤柱侧巷帮打设间距为1.0 m，排距为0.8 m。

2.2 工作面超前支护

工作面在回采期间，为避免超前应力显现对巷道围岩造成破坏，对工作面超前距50 m 以外进行超前加固支护，减少留设巷道的围岩变形量[7-10]。在原巷道支护基础上，增加打设锚索3 根，补设锚索长度为9.2 m，直径为21.8 mm，材质为1860 级钢绞线，初始张拉力保证在300 kN 以上，在顶板增加一层菱形锚网，锚网长6.3 m，宽1.0 m。超前加固支护断面如图1。

图1 1503 工作面回风巷超前加固支护

3 柔模混凝土护帮加固方案

1503 工作面回风巷为沿空留巷，在靠近采空区侧使用混凝土模块沿帮构筑进行护帮，回风巷净宽2 m，净高4 m，护帮所用柔模混凝土最大支护宽度为1.5 m。该模块是混凝土填充的预成型形态，自身具备自闭注浆口，方便注浆填充，支护强度高，施工安装便捷。注浆材料选用矿用高强度混凝土，强度不得小于CF40。

混凝土模块使用22 mm 直径螺纹钢做对拉锚栓，栓杆长度不小于1.7 m，对拉锚栓垂直巷帮布置，布置间距为0.75 m，排距为0.7 m。混凝土模块充填浆液完成后，养护48 h，然后对锚栓施加不低于300 N·m 的扭矩进行预紧。锚栓下要衬垫高强度钢带，钢带采用直径为16 mm 的圆形钢筋焊接制作，钢带布置间隔为80 mm。图2 为柔模混凝土及充填护帮效果图。

图2 柔模混凝土及充填护帮效果图

4 矿压监测及效果分析

4.1 留巷矿压监测

沿空留巷柔模混凝土护帮支护方案实施后，为采集科学详实的应用数据，在护帮段布置矿压监测点，对留巷的围岩变形情况进行数据采集。监测点共3 个，编号分别为1#、2#、3#监测点。1#监测点位于2#模块处；2#监测点位于30#模块处，与1#监测点间隔81 m；3#监测点位于60#模块处，与2#监测点间隔89.5 m。

本次矿压监测主要收集沿空留巷围岩变形数据，主要为巷道顶底板下沉鼓起数据以及巷帮位移数据，通过十字监测法对工作面超前50 m 处区域进行监测。图3 为本次矿压监测采集数据，图中横轴所标距煤壁距离为监测点与回采切眼之间的距离，超前工作面距离减小，滞后工作面距离增大，横轴坐标随工作面推进而增大。

图3（a）中显示为1#监测点围岩变形情况。其中巷道顶板下沉量为408 mm，从下沉曲线上可以看出在滞后工作面60～80 m 范围内，下沉较为明显，80 m 后下沉趋势平稳；巷道底板鼓起量为1018 mm，从底鼓曲线上可以看出在滞后工作面20～100 m 范围内，底板鼓起量增加较快；巷帮位移量为260 mm，巷帮鼓起量为179 mm，变形量小，较之前无明显变化。图3（b）中显示为2#监测点围岩变形情况。其中巷道顶板下沉量为318 mm，从下沉曲线中可以看出巷道顶板分别在滞后工作面100 m 和157 m 位置时下沉量明显较大；巷道底板鼓起量为1477 mm，从底鼓曲线中可以看出巷道底板分别在滞后工作面33 m 和92 m 位置时鼓起量增加较大；巷帮位移量基本无变化，巷帮鼓起量为621 mm，曲线表示在滞后工作面110 m 和154 m 位置时明显增大。图3（c）中显示为3#监测点围岩变形情况。其中巷道顶板下沉量为118 mm，无明显变形；巷道底板鼓起量为522 mm，曲线中可以看出分别在滞后工作面44 m、80 m 以及140 m 位置时有明显鼓起量增加；巷帮围岩变形量较小，无明显变化。本次矿压监测测得沿空留巷围岩变形数据中，巷道顶板最大下沉量为408 mm，底板最大鼓起量为1477 mm，巷帮最大鼓起量为621 mm。

图3 沿空留巷围岩变形情况监测曲线

1503 综采工作面回风巷在进行柔模混凝土支护之前，巷道部分区域就已经存在顶板开裂下沉的情况，虽然进行及时修巷，但是受到工作面采动影响，应力变化剧烈，巷道顶板变形仍然严重，甚至在局部区域形成了煤体碎裂剥落将塑料网和锚网压坠成包。在采用柔模混凝土补强支护后，除底板围岩变形量较大之外，顶板及巷帮变形情况已得到明显控制。表明使用柔模混凝土进行支护补强的方式对巷道变形情况有良好的控制作用。

4.2 沿空墙体对拉锚栓应力监测

为进一步了解柔模混凝土支护的应力变化情况，针对对拉锚栓进行应力监测，分别在3#模块以及15#模块上的锚栓布置监测点，监测点编号为1#、2#。图4 为对拉锚栓应力变化曲线。

图4（a）中显示，1#监测点在滞后工作面60～90 m 范围内，对拉锚栓应力变化剧烈，快速攀升至185 kN，随后迅速回落至52 kN；90～185 m 范围内，锚栓承压上升趋势稳定，承压达215 kN 后趋于稳定。图4（b）中显示，2#监测点在滞后工作面21～100 m 范围内，对拉锚栓承压数值基本稳定在25 kN 左右；100～142 m 范围内，压力逐渐提升至39 kN，然后趋于稳定。

图4 沿空墙体对拉锚栓应力变化曲线图

根据1#、2#锚栓应力监测点所测数据分析，柔模混凝土应力变化较为平缓，无明显周期性应力显现。结合现场情况，留巷墙体未发现明显破坏现象，柔模混凝土支护的强度达到预期目标，证明在深部矿井的高应力环境中，柔模混凝土注浆充填完成后，其弹性支护的特点缓冲了巷道围岩剧烈变形对巷道的破坏，在充填的混凝土凝固后，支护强度增加，能够更加有效地保证巷道的完整情况。

5 结论

在高应力环境下，巷道围岩变形严重，特别是在进行沿空留巷时，留巷段围岩破碎变形剧烈，导致巷道顶板下沉、底板鼓起、巷帮位移，不仅对工作面安全生产带来威胁，频繁的巷修工程还浪费大量的人力、物力以及时间成本。在采用传统的锚网索+锚杆支护形式的基础上使用柔模混凝土护帮、单体柱临时支护，实现了高应力采区沿空留巷，为其他相似环境条件提供了宝贵的经验。