综放工作面软底沿空留巷围岩控制技术研究

朱鹏华

（霍州煤电集团云厦建筑工程有限公司白龙矿建分公司，山西 霍州 031400）

1 工程概况

木瓜煤矿现阶段主采9#、10#煤层，10-201 工作面位于二盘区准备巷道南翼，工作面上部及周边均为实体煤岩层，根据掘进期间地质揭露情况分析正巷里程0～150 m、920～1045 m，副巷里程936～1081 m，9#、10#层间距0.35～0.7 m，属合并层。10-201 工作面埋深312～515m，开采9+10#煤，煤层厚度5.81～7.73 m，工作面倾斜长度245 m，煤层倾角3～14°，煤层硬度2～3，顶底板岩性特征详见表1。

表1 煤层顶板情况表

2 沿空留巷变形破坏分析

10-201 沿空留巷为10-201 工作面轨道巷，与10-203 工作面运输巷间煤柱宽度45 m，巷道全长1850 m，沿10+11#煤层顶板布置。为回收保护煤柱，设计10-201 轨道巷进行沿空留巷，原沿空留巷支护方式如图1 所示。两侧肩角处锚杆外斜20°布置，间排距均为0.9 m，顶板每排布置3 根锚索，靠近肩角处的外斜10°布置，中部一根沿竖直方向布置，间排距1.6 m×0.9 m，煤柱帮锚杆每排4 根，靠近肩角处锚杆向上偏斜10°布置，间排距0.9 m。实体煤帮侧采用柔模混凝土支护，柔模充填墙体宽度为1.3 m，高度为3.6 m，采用C40 混凝土充填。

图1 沿空留巷原有支护方案（mm）

10-201 工作面回采初期，沿空巷道围岩变形逐渐增大，主要变形形式为底板底鼓及两帮相对内移。留巷约20 d 后，底板最大突出量达到713 mm，底鼓严重，柔模墙底部部分侵入底板，顶板下沉量最大为256 mm，顶板形成沿巷道轴线方向的贯通长裂隙，锚网撕裂绷断，巷道竖直方向整体位移量达到969 mm，煤柱帮片帮量达到489 mm，帮部锚网、梯子梁损坏严重，充填体侧内鼓量达到278 mm，水平方向相对移近量达到767 mm，沿空巷道断面整体收缩严重，无法满足留巷断面需求。

3 沿空留巷充填体参数优化研究

10-201 沿空巷道留巷期间，受到工作面采动影响围岩失稳变形严重，需要更加合理的柔模充填体支护参数来提高留巷围岩的稳定性。依据10-201 工作面现场条件，采用FLAC3D软件进行建模分析[1-2]。由于本次主要研究对象为巷旁充填体对于留巷围岩的稳定性，将数值模型进行简化，模型共由7 层煤岩层组成，建立模型尺寸：长度200 m（X 轴）、宽度100 m（Y 轴）、高度142 m（Z 轴），煤层厚度6.5 m，沿空留巷断面宽×高=5.3 m×3.6 m，模型边界条件约束如图2（a）所示，模型顶面等效垂直应力10.45 MPa，三维数值模型如图2（b）所示。

图2 数值模型

3.1 充填体强度模拟分析

10-201 沿空留巷原有支护方案巷旁充填材料采用C40 混凝土，充填体宽度1.3 m，根据留巷现场破坏情况，巷旁充填体底部切入底板，说明C40 混凝土虽然强度满足要求，但是仍未实现留巷围岩的稳定。因此，设计充填材料分别为C15、C20、C30、C40 混凝土，得到沿空留巷顶板下沉量及顶板岩层塑性破坏范围如图3 所示。由图3 所示结果可以看出，随着巷旁充填体强度的增大，沿空巷道顶板下沉量及顶板岩层塑性破坏范围呈减小趋势。当充填体强度由C15 提高至C20、C30 时，顶板下沉量分别减小54 mm、33 mm，顶板岩层塑性破坏范围分别减小7.5 m、4.0 m；当充填体强度由C30继续提高至C40 时，顶板下沉量减小17 mm，顶板岩层塑性破坏范围减小2.5 m。由此表明，当充填体强度减低时，提高充填材料等级可显著提高留巷顶板岩层稳定性；当充填体强度达到C30 时，提高其强度等级对于留巷围岩稳定性的影响很小。因此，充填体强度为C30 最为恰当。

图3 不同充填体强度条件下沿空留巷变形及塑性破坏模拟结果

3.2 巷旁充填体宽度模拟分析

根据10-201 轨道巷留巷初期破坏情况，多处巷旁充填体出现钻底及向巷道内歪斜情况，说明原设计巷旁充填体宽度过窄，故设计模拟方案充填体宽度分别为1.4～1.7 m，整理得到不同充填体宽度条件下沿空留巷围岩塑性破坏特征如图4 所示。

图4 不同充填体宽度条件下留巷围岩塑性破坏特征

充填体宽度为1.4 m 时，工作面回采后，充填体发生剪切破坏，顶板岩层发生大面积的剪切和拉伸破坏，破坏范围达到22.5 m。此时巷旁充填体对于顶板支承能力弱，无法保障沿空留巷的围岩稳定。充填体宽度为1.5 m 时，充填体仅顶部肩角及中部局部发生塑性破坏，具有良好的支承能力，顶板岩层塑性破坏范围显著减小，沿空巷道顶板浅部岩层破坏程度也显著降低。此时已满足维护巷道围岩稳定性的要求。当充填体宽度为1.6 m、1.7 m 时，留巷期间巷旁充填体基本不发生塑性破坏，单充填体上部及下部煤岩体均发生塑性破坏，表明此时充填体强度已满足并超出支护强度要求。考虑施工成本此时充填体宽度过大。综上所述，建议充填体宽度为1.5 m。

4 软底沿空留巷围岩控制技术

10-201 轨道巷沿空留巷期间，由于顶板岩层分布不均，在采动影响下顶板岩层内应力增高，裂隙逐渐扩展发育，大面积塑性破坏，且采空区岩层未及时垮落，导致顶板具有向采空区侧回转下沉的趋势。因此，设计采用注浆锚索+切顶锚索加固措施，注浆锚索布置在常规锚杆+锚索之间，间排距1.6 m×0.9 m，锚索规格为Φ22 mm×8300 mm，采用425 普通硅酸盐水泥浆，在充填体中部对应位置设置一根切顶锚索。工作面回采后，在煤柱帮内形成应力集中，导致煤柱帮片帮、内移严重，因此设计采用短锚索进行补强支护，帮锚索规格为18.9 mm×4300 mm，采用“二一二”布置，间排距2.0 m×0.9 m，均沿水平方向布置；10-201 轨道巷沿煤层顶板布置，巷旁充填体坐落于强度较低的煤层上，在顶板下沉趋势影响下，一是导致巷道底板底鼓变形严重，二是充填体易切入底板或发生歪斜，因此设计通过在柔模墙体之下通过挖槽、浇筑条形基础进行底板加固[3-4]。基槽开挖深度为1.5 m，宽度为1.8 m，充填材料同墙体均为C30 混凝土。为减小柔模墙体的内移量，设计采用直径22 mm 的对拉锚栓进行支护，间排距为0.5 m。10-201 轨道巷留巷支护详情如图5 所示。

图5 10-201 轨道巷留巷支护详图（mm）

5 留巷支护效果分析

10-201 轨道巷采用优化后支护方案留巷期间，采用十字监测法监测围岩收敛量，测点布置在采用优化留巷支护方案50 m 处，回采工作面推进速度为9.6 m/d，测点开始滞后工作面时第一次记录数据，每日记录一次，整理得到图6 监测结果。优化留巷支护方案条件下，滞后工作面0～100 m 期间，巷道表面收敛变形量增速较快，底板底鼓量由0 mm 增大至162 mm，顶板下沉量由0 mm 增大至83 mm，充填墙体鼓帮量由0 mm 增大至39 mm，煤柱帮鼓帮量由0 mm 增大至41 mm；滞后工作面距离大于100 m 后，巷道围岩收敛变形趋于平缓，底鼓量保持在180 mm 以下，顶板下沉量保持在150 mm 以下，煤柱鼓帮量保持在60 mm 以下，充填墙体鼓帮量保持在50 mm 以下，沿空留巷围岩整体收敛变形保持在较低水平，围岩稳定性良好。

图6 沿空巷道表面变形规律

6 结论及建议

通过对现场实际情况分析、数值模拟、理论分析等手段，设计了10-201 轨道巷沿空留巷优化支护方案，同时得到以下结论：

（1）数值模拟研究分析表明，巷旁充填墙体充填材料合理强度等级为C30，巷旁充填体合理宽度为1.5 m。

（2）采用注浆锚索+切顶锚索提高沿空留巷顶板强度，采用短锚索抑制煤柱帮片帮，通过挖槽、浇筑条形基础进行底板加固，防止充填墙体的歪斜和钻底。

（3）优化沿空留巷支护方案条件下，10-201轨道巷围岩收敛变形量保持在较低水平，留巷效果良好。