孤岛工作面柔模混凝土沿空掘巷围岩协同控制技术

2022-11-24王庆雄

煤炭工程 2022年11期

王庆雄

(国能神东煤炭集团有限公司，陕西神木 719315)

小(无)煤柱沿空掘巷技术可降低煤柱尺寸，提高煤炭资源回收率，是煤矿安全高效生产的关键技术之一[1-3]。目前沿空掘巷技术主要包括窄煤柱沿空掘巷、无煤柱沿空掘巷及110工法等，我国学者在沿空掘巷支护理论及技术方面取得了许多研究成果，推动了我国沿空掘巷技术的进步和发展[4-7]。李学华等[8]对典型小(窄)煤柱沿空掘巷的现场应用情况进行统计分析，认为煤柱失稳主要与埋深、煤层厚度、围岩强度、老顶岩层强度、采动影响及支护强度有关；李术才等[9，10]研究了沿空掘巷围岩裂隙演化规律及帮部围岩受力特征；郑西贵等[11]基于沿空掘巷的问题，模拟研究了巷道变形、支护强度、煤柱稳定状况与煤柱尺寸之间的关联程度；张东升等[12]预先浇筑混凝土墙体，然后进行沿墙掘巷，很好地实现了沿空掘巷；张农等[13]认为动压影响导致沿空掘巷煤柱失稳，并提出了预应力组合支护技术；柏建彪等[14]研究了大埋深、大倾角背景下沿空掘巷覆岩演化规律，并提出相应的围岩控制措施；王东攀[15]为了解决厚煤层沿空留巷问题，提出了高强支护与区域压裂卸压协同控制技术；范凯[16]针对顶板卸压效果差的问题，提出了分阶段复合支护切顶技术，卸压效果显著。

我国学者在沿空掘巷围岩变形破坏、煤柱失稳及支护结构优化等方面开展了大量的研究，促进了我国沿空掘巷水平的提升。但在孤岛工作面实施完全沿空掘巷的研究相对较少，孤岛工作面完全沿空掘巷围岩变形破坏机理、充填体力学性能及支护技术等方面还有待进一步完善。本文以榆家梁煤矿52402工作面为研究背景，针对孤岛工作面沿空巷道围岩变形破坏的难题，对完全沿空掘巷技术工艺、巷道顶板结构演化规律、巷道围岩变形特征展开研究，并提出了相应的控制对策。

1 工程概况

榆家梁煤矿52402工作面，煤厚3.1～4.45m，倾角1°～3°，节理发育，其赋存结构较为简单。该矿为低瓦斯矿井，煤尘具有爆炸性，属Ⅱ类自燃煤层。工作面埋藏深度75～150m，覆岩上部为风积沙松散层，基岩最薄19m，对应上覆松散层厚度73m，上覆基岩与松散层厚度最薄36m，覆岩最厚150m，基岩厚度64m。

52402工作面地表为黄土沟壑区，且上覆59～63m处有43煤层采空区，52402辅运巷位于43煤层工作面煤柱正下方，受动压影响较小。该面为孤岛工作面，两侧分别为无煤柱完全沿空掘巷(现为52402辅运巷)、52403面沿空留巷(现为52402运输巷)，如图1所示。52402工作面走向长2115m，倾斜长360.8m，每日推进10～14m。其生产方式为一次采全高、全部垮落管理采空区，采高为3.8m。

图1 工作面布置

2 柔模混凝土完全沿空掘巷技术

2.1 孤岛工作面覆岩结构特征

基于孤岛工作面两巷覆岩破断与覆岩“O-X”型破断特征的不同，沿空掘巷和留巷的上部覆岩断裂会具有下列特征：

1)掘巷悬臂梁结构要比留巷的小(S1L2)，如图2所示。

图2 孤岛工作面覆岩结构

2)掘巷时支承压力由悬臂梁结构断裂处向52402工作面深部转移，因其悬臂梁结构小所受52401采空区的覆岩压力也小，但掘巷覆岩在煤层内断裂的较深。因此，应力最大值在本工作面深部且还小于留巷的应力最大值；留巷时支承压力传递路径与掘巷时一致，但受52403采空区覆岩的压力要大，应力最大值位于留巷顶部，应力曲线向工作面延伸，最终趋于原岩应力。

3)52402工作面回采期间，52402运输巷(留巷)的墙体受力大，墙体顶板下沉要比煤帮顶板下沉大，矿压显现更加强烈。而52402辅运巷(掘巷)墙体受力相对较小，变形也不大。

2.2 完全沿空掘巷力学分析

2.2.1 完全沿空掘巷矿压特征

工作面回采稳定后，采空区侧向煤体主要分为应力降低区、应力升高区和原岩应力区，留煤柱的沿空巷道通常在应力峰值影响区域内，将会导致沿空巷道煤柱收到较大的应力集中，维护比较困难。而完全沿空巷道则在应力降低区域内，侧向压力最大值届时将会传递至深部，其矿压显现不会太明显，易于维护。

2.2.2 完全沿空掘巷顶板结构

上个工作面初采期间，老顶在初次来压后发生破断形成“O-X”型特征，之后继续向前推进老顶发生周期性破断，且形成半“O-X”型特征，进而形成弧形三角块的结构，如图3所示。本工作面回采时将引起老顶失稳，块体A将因回转力矩M′、M的作用而向“弧形三角块”B的方向出现变形，致使浅埋沿空掘巷大结构失稳，弧形三角块B失稳主要与煤柱承载力、巷道稳定性有关。

图3 掘巷与覆岩结构间的关系

为预防完全沿空掘巷的密闭问题，在上一工作面回采期间采用柔模混凝土筑墙，使其巷道在应力降低区区域内掘进，降低巷道维护量，解决突出、冲击地压的问题。

本工作面回采时，采空区上覆岩层经过剧烈活动稳定后形成“大结构”，由于完全沿空掘巷位于应力降低区，维护相对简单。受超前压力影响巷道出现变形破坏，所构筑的墙体起到了一定的加强支护效果，等临近面推进完成后动压的作用逐渐变弱，巷旁支护承载能力与支承压力相互平衡，围岩逐步保持稳定。顶板应力稳定后，由于墙体强度逐步降低，导致墙体出现不同程度的变形破坏，顶板岩层也出现下沉，最终致使巷道围岩结构出现失稳。

2.2.3 沿空掘巷围岩稳定性因素

沿空掘巷围岩是否稳定与应力环境、巷道埋深、围岩性质、煤层厚度、回采动压、煤柱(或充填体)强度等有关[17-20]。

1)应力环境。大煤柱巷道位于原岩应力区，容易维护但资源浪费严重；窄(小)煤柱巷道位于应力降低区，但煤体破碎严重，强度低，在工作面回采时变形严重；完全沿空掘巷的巷道位于应力降低区，通过浇筑墙体提高煤柱承载能力，煤柱承载力高，巷道不易发生变形。

2)埋深。原岩应力大小与煤层埋深成正比关系，埋深越大，沿空掘巷压力显现越明显，巷道变形越严重。

3)围岩性质。煤柱失稳的关键因素是围岩性质。在软弱、膨胀性岩石的条件下实施沿空掘巷，煤柱不易维护且变形破坏的状况较多。

4)开采厚度。围岩破坏范围与煤层开采厚度有关，开采厚度越大，围岩破坏范围越大，矿压显现越强烈，沿空掘巷越难以维护。

5)采动影响。沿空掘巷围岩经受两次采动影响，围岩破碎严重，围岩强度较低，围岩自承载能力低，巷道围岩难以保持稳定。

6)煤柱(墙体)支护强度。煤柱或墙体强度是保持沿空掘巷稳定的关键，只有通过提高煤柱支护强度或墙体强度，才能保证沿空掘巷顶板的稳定。

2.3 柔模混凝土墙作用机制

1)柔模墙体应有早强、快增阻的性能，能确保直接顶的完整性和自承载力。墙体第一次受动压影响时，超前上区段工作面一定范围内及时浇筑墙体，墙体早强快凝的特性将使直接顶不易出现离层破坏，确保上、下位顶板岩层同时活动。顶板来压、下沉前，快增阻将使墙体达到切顶阻力，沿支护体外边缘切落足够高度的顶板，强动载荷得以降低，顶板垮塌的矸石填实采空区，尽快使关键块体活动稳定下来。

2)柔模墙体应有一定的可缩量。人工墙体一般对关键块体的断裂运动起不到实质性作用，墙体除强度高外还应有变形性能，能够适应覆岩剧烈运动造成的顶板下沉起到让压的作用，也降低对墙体的压力，达到控顶载荷向实体煤、采空区矸石移动的目的，使实煤帮、墙体、矸石共同承载掘(留)巷上部顶板载荷。

3)柔模墙体还应有较高的后期强度。完全沿空掘巷稳定后，墙体出现变形破坏的可能性极大，所以墙体后期强度极其重要且应确保覆岩断裂后的平衡，该巷道又要受二次动压影响，维护难度也加大，为抑制墙体出现流变需要其后期具有较高的强度。

2.4 技术原理及工艺流程

根据上述对沿空掘巷的理论分析，提出柔模混凝土完全沿空掘巷技术原理及工艺流程：工作面回采期间，靠近接替工作面的巷道煤柱帮侧提前浇筑柔模混凝土挡墙(或提前扩帮后进行)，待工作面回采结束且采空区顶板垮落运动稳定后，再沿着挡墙掘进接替工作面巷道，实现无煤柱沿空掘巷的开采。其技术工艺流程如图4所示。

图4 完全沿空掘巷工艺流程

3 巷旁充填体参数设计

3.1 支护体可缩量确定

根据经验，裂隙带岩层到煤体极限平衡区的水平距离为19m(S=19m)，即为最大下沉量L2，造成煤壁下沉分量L1。煤壁侧有一定的压缩变形，估算时应将煤体边缘的变形L0考虑进去。墙体可缩量应与沿巷帮煤壁下沉量相一致，得到巷旁支护体可缩量L：

经计算得出墙体的最大可缩量L′为0.35m。

3.2 充填体支护阻力确定

基于柔模墙支护承载的机理，将墙体受力进行简化处理，如图5所示。

图5 巷旁支护体受力模型

对O点取矩，模型的力学平衡方程为：

[htan(θ-α)+0.5(x+a+b)]+0.5Ghsinα

式中，q为墙体支护强度，kN/m；x为煤壁极限平衡区宽度，m；a为沿空巷道宽度，取5.2m；b为墙体宽度，取1.2m；h为极限切顶高度，m；G为极限切顶高度内岩石重量，kN/m3；α为煤层倾角，取3°；θ为顶板岩石破断角，取45°。

经计算得出墙体强度为2620kN/m，采用C30混凝土能够符合要求。52401工作面推采期间，按设计在巷道煤柱帮侧构筑宽度为1.2m的柔模混凝土墙。经计算得出柔模墙体可缩量为350mm，因此在墙体上方设置厚度为400mm的柔性垫层，提高墙体的压缩性能。基于柔模墙承压大、易发生侧向破坏的特性，在柔性模板上预留锚栓孔并在锚栓端部均应上紧托板、螺母，增加墙体强度。根据经验取值，预留孔间距1.0m、排距为0.75m。

4 完全沿空掘巷围岩协同控制技术

根据浅埋工作面顶板结构特点，结合充填体力学特性，提出提高锚固结构承载力、加强巷帮和顶板支护强度及巷内支护等协同控制原则。

4.1 协同控制思路

4.1.1 提高锚固结构承载力

巷道支护系统由低强度、低刚度、低预应力向高强度、高刚度及高预应力转变，通过提高其支护强度、刚度和预应力，实现巷道围岩的有效控制。

要实现三高支护，必须配套相应的锚杆、锚索支护材料及构件[13]。三高支护中锚杆可有效控制围岩浅部破坏，锚索可控制围岩深部破坏。同时，还能抑制岩层的错动、剪切等变形，适合于强动压影响的沿空掘巷围岩控制要求。

4.1.2 巷道帮顶协同控制

巷道帮部对顶板起到支撑作用，巷帮稳定是实现顶板稳定的关键。

1)利用高预应力锚索提高顶板支护强度。沿空掘巷顶板会出现不协调下沉，采空区侧下沉更大。所以，设计时要适当提高采空区顶板的支护强度和支护深度，将锚索锚固至稳定岩层。在顶板切顶时，要及时进行补强支护，防止顶板出现断裂失稳，确保沿空掘巷顶板稳定。

2)增加巷帮锚索长度。沿空掘巷上覆岩层运动导致巷帮煤体承载力急剧增加，巷帮煤体主要承载上覆岩层压力，一旦巷帮煤体失稳将导致顶板强烈下沉，甚至失稳。所以，要增加巷帮煤体支护范围，提高巷帮煤体的承载力。同时，本工作面为孤岛工作面，巷道矿压显现强烈，巷帮煤体破坏范围更大，锚杆已全部位于塑性破碎区，基本失去锚固支护作用。通过采用长锚索进行支护，将锚索锚固在弹性区或相对完整区域，增加其锚固力，提高锚网支护结构的支护作用。

4.1.3 巷内超前临时支护

本工作面回采期间巷道上部覆岩剧烈活动，采空区顶板也未充分垮塌，对覆岩也未形成有效支撑，且顶板支护体系受上覆承压结构下沉时难以自稳。为抑制沿空巷道覆岩活动对其造成的影响，考虑到该矿巷道具有冲击性强、来压强度大的特征，充填体无法有效控制沿空巷道围岩，沿空巷道内还需临时支护以抵抗关键覆岩断裂下沉所造成的影响。

在工作面回采前，提前打设密集单体支柱，支柱与顶板围岩间加设木垫块、橡胶等柔性垫层，利用单体柱增阻快的优势，实现沿空掘巷顶板的及时控制，同时柔性垫层也能避免单体支柱刚性破坏。

4.1.4 围岩协同控制时空关系

提出以“充(浇筑柔模混凝土墙)、掘(沿墙掘巷)、补(加强掘巷顶帮强度)、支(巷内超前临时支护)”为核心的柔模混凝土完全沿空掘巷围岩控制基本思路，要想充分起到协同控制效果，须协调好三者之间的时空关系。上区段工作面回采前或超前工作面一定距离内，开始实施浇筑柔模混凝土墙。待上区段采空区顶板垮落运动稳定后，沿着墙体掘进巷道，此时掘进的巷道要对巷道顶板、帮部进行高强支护，而本工作面回采前超前一定距离内进行临时支护以抵抗本工作面超前支承压力及上区段采空区覆岩运动的影响。

综上，通过从时间和空间上合理进行浇筑混凝土，使上一工作面采空区达到彻底稳定后，沿墙体掘巷，通过高强支护、临时支护等手段提高巷道顶板支护强度，通过协调充填体、锚网支护、补强支护及单体支柱的时空关系，实现多种支护方式间的协同控制。

4.2 关键技术参数

1)柔模混凝土墙支护参数。混凝土强度等级为C30，墙厚1200mm，墙高3400mm。为增加混凝土强度，柔性模板提前留好锚栓孔并将锚栓端部上紧托板、螺母，锚栓外露长度要大于100mm。

2)沿空掘巷巷道支护参数。52402辅运巷沿墙掘进，巷宽5.2m，高3.4m，断面积17.68m2。采用螺纹钢锚杆、锚索、钢筋网、π型钢带进行联合支护。锚杆每排5根，排距1000mm；锚索每排3根，排距2000mm，π型钢带将锚索连在一起。巷道交叉段且宽度超宽时，补打锚索及架设木垛进行加强支护。回采帮采用∅18mm×1600mm的玻璃钢锚杆和1800mm×2000mm的塑料网支护，锚杆间排距为1300mm×1500mm。当顶板出现如破碎、离层等特殊区域时，应进行“短掘短支”，并加强顶板支护管理。

5 工程验证

巷道掘进期间矿压监测结果如图6所示，由图6可知，顶板锚索受力不大，受力主要位于40～90kN之间，个别锚索受力达到240kN。墙体内部受力在距工作面0～300m范围内变化较大，但墙体未出现开裂破坏的情况，整体处于稳定状态。除局部巷道顶板有一定下沉外，大部分区域巷道顶板下沉量较小，顶板下沉量位于50～160mm，两帮最大收缩量100mm。