临汾宏大煤矿矸石充填开采沿空留巷围岩稳定性控制技术

高 翔

（同煤集团临汾宏大矿业有限责任公司，山西 临汾 041600）

1 概况

临汾宏大煤矿主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，8302 工作面煤层埋深约230 m，厚度3.1～3.9 m 不等，工作面存在断层，回采巷道围岩稳定性较差，冒顶和垮塌事故风险较大。目前8302 工作面采用选充一体化工艺，该工艺实施的关键是保证沿空巷道围岩的稳定性，研究填充开采沿空留巷工作面顶底板运移规律[1-6]，探究巷道大结构稳定机理[7-10]，是巷道围岩稳定控制技术的基础。

2 矸石充填开采沿空留巷围岩变形规律

对8302 工作面的深部煤层采空区进行不同充实率下顶底板位移监测，探究矸石充填开采沿空留巷围岩的变形规律。充实率填充分别为50%、60%、70%、80%和90%，根据位移监测结果绘制位移曲线图1，其中左图为顶板位移曲线，右图为底板位移曲线，横坐标代表的是沿着掘进推进方向的距离。

从图1 可以看出，充实率填充为50%时直接顶板的最大位移量为1200～1250 mm 之间，直接底板的最大位移量为65～75 mm 之间；充实率填充为60%时直接顶板的最大位移量为1000～1050 mm 之间，直接底板的最大位移量为65～75 mm 之间；充实率填充为70%时直接顶板的最大位移量为800～850 mm 之间，直接底板的最大位移量为65～75 mm 之间；充实率填充为80%时直接顶板的最大位移量为500～550 mm 之间，直接底板的最大位移量为55～60 mm 之间；充实率填充为90%时直接顶板的最大位移量为250 mm 左右，直接底板的最大位移量为45 mm 左右。沿着巷道开采方向进行支护后，支护体的左右侧顶板和底板的位移量基本相同。不同充实率情况下8302 工作面160 m 的前方和40 m的后方顶底板的位移量都不大，而40～160 m 范围内随着充实率的提升，巷道顶部煤层的位移量明显减小，而巷道底部煤层的位移量本身不大，但也随着充实率增加，位移量在减小。

图1 不同充实率下沿空留巷围岩顶底板位移曲线图

矸石充填开采沿空留巷，顶板岩层荷载由矸石填充体以及煤层巷道壁共同承担，因此矸石填充体的填充状态直接会影响到巷道顶板的形变量和形变趋势。通过监测发现，随着填充密度的增加，顶板的下沉量会减小，基本顶回转空间减小，巷道成型度高，稳定性强，沿空留巷工艺实施难度降低。

通过研究最终确定采用81.5%的充实率来实现8302 工作面选充一体化工艺，控制顶板和底板以及围岩的变形，维持沿空留巷的稳定。

3 沿空留巷围岩控制技术方案

（1）巷内基本支护方案

8302 充填工作面上平巷采用锚带网+锚索的支护方案来进行围岩控制，具体方案为：利用六根直径为20 mm、长度2.5 m 的左旋螺纹钢式树脂锚杆与钢带网的配合完成顶部支护，其中顶部非两侧的锚杆与顶面垂直，而顶部两侧的锚杆与顶面形成20°～30°夹角，以增加锚杆支护效果，顶部锚杆间距为860 mm；两帮每侧采用四根同样规格的树脂螺纹钢锚杆与高分子复合网的配合完成支护，两帮非底部的锚杆与帮面垂直，两侧底部的锚杆向巷道底板倾斜10°～30°夹角，截面两帮锚杆间距800 mm；顶部锚索布置在巷道顶板钢带之间，向两帮侧倾斜20°～30°夹角。巷内基本支护方案示意图如图2。

图2 8302 充填工作面上平巷基本支护端面示意图（mm）

（2）沿空留巷支护方案

在巷内支护方案实施基础上，根据矸石充填开采沿空留巷围岩变形规律，8302 工作面留巷之后的支护采用机械式恒阻单体支柱挡板与夯实胶结体作为巷旁支护体进行联合留巷的方式进行沿空留巷。具体方案为：在8302 工作面采煤拉架后，首先布置两排单体支柱对留巷进行稳定性维持，并在巷道的采空区一侧沿着8302 工作面朝向布置安装挡矸板，完成支护基础工艺，利用矸石对采空区进行充填。充填留巷过程中，对充填矸石与胶结料水泥按照一定比例混合，将矸石胶合体利用多孔底卸式带式输送机运输到充填支架与矸石填充区之间；然后通过夯实机对矸石胶合体进行夯实处理，重点对矸石胶合体与巷道顶部的对接部分进行充填，保证留巷与采空区对接位置区域的矸石胶合体充分接顶。8302 充填工作面沿空留巷支护方案示意图如图3。

图3 8302 充填工作面沿空留巷支护方案示意图

4 应用效果

8302 充填工作面煤层厚度约为4 m，上平巷采用沿空留巷，开采方式采用选充一体化工艺，采空区采用矸石充填，充实率按照81.5%进行，成型后的巷道高度为3.7 m，宽度为4.6 m，经过巷道与采空区矸石填充区之间的矸石胶合体填充体宽度为2.5 m，检测强度为3.2 MPa，支护稳定性能够保证。为了验证围岩控制方案的实施效果，对围岩控制工艺实施后的巷道变形进行为期两个月的监测，根据监测数据绘制围岩变形量曲线图，如图4。

图4 沿空留巷围岩变形曲线图

通过图4 可以看出，沿空留巷的左帮和底板在两个月内最大变形量约在50 mm，右帮的变形量相对左帮大，最大变形量达到150 mm，顶板的变形量最大，达到250 mm 左右。所有围岩的变形量在两个月期间都趋于稳定，且相较于研究矸石充填开采沿空留巷围岩变形规律期间的围岩变形量都有大幅度降低。由于巷道左帮侧接近采空充填区，有矸石胶合体的加持，变形量较右帮会小。通过监测曲线数据说明通过81.5%矸石采空区充实率和围岩控制方案的实施，8302 工作面的选充一体化工艺形成的巷道稳定性能够满足井下采煤施工，保证巷道安全。