高玉軍

(山西新景煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

1 工程概況

山西新景煤礦3105綜采工作面位于+525 m水平，煤層埋藏深度為470～610 m。3105工作面井下位于一采區(qū)南翼東部，南為3103工作面(已采)，西為蘆南二區(qū)7204工作面(已采)、7206工作面(已采)，北邊為本區(qū)3107工作面(未掘)，工作面東部為回風(fēng)大巷，工作面巷道布置如圖1所示。3105工作面走向長1 515 m，傾斜長196～206 m，面積305 820 m2，煤層厚度為2.73～3.66 m，平均3.36 m。煤層老頂為4.66 m的灰白色中粒砂巖，成分以石英為主，長石次之；直接頂為3.43 m的灰黑色砂質(zhì)泥巖，含植物化石碎片，局部被上部老頂砂巖沖蝕而不存在；偽頂為0.32m的深灰色高嶺石泥巖。直接底為6.39 m的灰黑色砂質(zhì)泥巖，下部含砂量較多，與煤直接接觸處有一層0.03 m的泥質(zhì)粘矸；老底為1.82 m的深灰色細(xì)粒砂巖。

圖1 3105工作面巷道平面布置

新景煤礦屬于高瓦斯礦井，為滿足工作面通風(fēng)需求，共布置四條回采巷道，分別為3105進(jìn)風(fēng)巷、3105膠帶巷、3105回風(fēng)巷和3105瓦排尾巷。該礦以往工作面采掘布置留設(shè)20 m的區(qū)段煤柱，回采巷道在本工作面回采完畢后即行廢棄，造成了工作面采出率和巷道利用率低，礦井采掘接替緊張的局面，故設(shè)計(jì)在3105工作面應(yīng)用沿空留巷技術(shù)，將3105回風(fēng)巷保留下來為3107工作面服務(wù)。

2 沿空留巷巷旁充填體寬度確定

巷旁充填體的穩(wěn)定對于沿空留巷的成功起著非常關(guān)鍵的作用，合理的巷旁充填體寬度和強(qiáng)度有利于減小留巷頂板的下沉量并且能夠起到切斷采空區(qū)頂板的作用[1]。為合理地設(shè)計(jì)新景煤礦3105工作面沿空留巷巷旁充填體的參數(shù)，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)3105回風(fēng)巷具體的地質(zhì)條件，模擬不同寬度充填體條件下的工作面回采，觀察留巷圍巖及巷旁充填體的穩(wěn)定性，為巷旁充填體寬度的確定提供依據(jù)。模擬的充填體寬度分別為1 m、1.2 m、1.5 m、1.8 m、2 m，充填材料采用高水材料，水灰比為1.5∶1。3105回風(fēng)巷掘進(jìn)斷面為：寬×高=4.8 m×3.6 m，采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，建立模型尺寸為：長×寬×高=62 m×100 m×73 m，工作面平均埋深為550 m，上覆巖層簡化載荷為13.7 MPa。不同巷旁充填體寬度條件下沿空留巷圍巖變形破壞特征如圖2所示。

圖2 不同巷旁充填體寬度留巷圍巖應(yīng)力分布

巷旁充填體支護(hù)屬于被動(dòng)支護(hù)方式，工作面回采后采空區(qū)頂板回轉(zhuǎn)下沉，合理的充填體起到切斷巷道頂板的作用，使沿空巷道頂板與采空區(qū)頂板分離，從而減小巷道頂板的下沉。根據(jù)模擬結(jié)果可知，當(dāng)充填體寬度為1.0 m和1.2 m時(shí)，充填體承載能力較小，充填體隨頂板下沉變形嚴(yán)重，沿空留巷圍巖失穩(wěn)。充填體寬度為1.5 m時(shí)，充填體的承載能力有所提升，沿空巷道頂板下沉量明顯減小，充填體寬度繼續(xù)增大，沿空巷道圍巖的變形繼續(xù)減小，但是減小的幅度趨于平緩。隨著頂板下沉充填體壓縮變形，寬度逐漸增大，承載能力逐漸增強(qiáng)。巷旁充填體寬度由1.0 m增至1.5 m時(shí)，充填體內(nèi)最大主應(yīng)力由5.2 MPa提升至11.6 MPa，承受壓力的峰值增至2.23倍；巷旁充填體寬度由1.5 m增至2.0 m時(shí)，充填體內(nèi)最大主應(yīng)力由11.6 MPa提升至14.2 MPa，增幅僅為2.6 MPa，承受壓力的峰值增至1.24倍。綜上可知，充填體寬度為1.5 m及以上時(shí)，有足夠的支撐能力，能夠較好地維護(hù)沿空巷道頂板，綜合考慮施工、經(jīng)濟(jì)等多方面因素確定充填體寬度為1.5 m。

3 沿空留巷巷內(nèi)及充填體頂支護(hù)技術(shù)

為了解工作面回采期間沿空留巷圍巖的變形特征，采用UDEC數(shù)值模擬軟件[2-3]，根據(jù)新景煤礦3105工作面具體的圍巖條件，模擬在巷旁充填體支護(hù)的條件下工作進(jìn)行回采，觀察沿空巷道及采空區(qū)頂板的破壞形式，模擬結(jié)果如圖3(a)所示。

根據(jù)留巷圍巖塑性區(qū)分布特征可知，工作面回采后留巷頂板具有較大的塑性區(qū)，巷旁充填區(qū)域頂板在靠近采空區(qū)一側(cè)離層明顯，留巷實(shí)體煤側(cè)肩角處圍巖處于彈性狀態(tài)，巷旁充填體由于頂板回轉(zhuǎn)下沉也出現(xiàn)了明顯的變形，實(shí)體煤側(cè)底角處圍巖也有明顯的塑性破壞。由此可知，沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性受到頂板下沉的影響很大[4]，若頂板采用垂直布置錨索進(jìn)行支護(hù)，根據(jù)懸吊理論，需要較長長度的錨索才能錨固在穩(wěn)定的巖層，因此設(shè)計(jì)采用斜拉錨索，將留巷頂板錨固在實(shí)體煤側(cè)肩角的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，這樣能夠充分調(diào)動(dòng)肩角穩(wěn)定地帶圍巖的自承能力。采用預(yù)應(yīng)力錨桿和斜拉錨索支護(hù)后進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3(b)所示，沿空巷道淺部圍巖塑性破壞范圍明顯減小，頂板穩(wěn)定性很好，肩角穩(wěn)定。

圖3 沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)模擬結(jié)果

4 沿空留巷圍巖控制設(shè)計(jì)現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 巷內(nèi)基本支護(hù)

新景煤礦3105回風(fēng)巷掘進(jìn)斷面為4 800 mm×3 600 mm，頂板支護(hù)采用D22 mm ×2 400 mm 的左旋無縱肋螺旋鋼錨桿，每排布置6根，間排距為880 mm×900 mm，中部4根錨桿垂直頂板安裝，兩側(cè)錨桿分別向兩側(cè)傾斜20°安裝，錨固劑為兩支K2350樹脂藥卷，預(yù)緊扭矩250 N·m，錨固力200kN；錨索采用D18.9 mm×8 300 mm的高強(qiáng)錨索，每排2根，沿巷道中心線垂直頂板對稱布置，間排距為1 600 mm×900 mm，錨固劑為三支K2350樹脂錨固劑，預(yù)緊力不小于200 kN，錨固力大于400 kN；鋼筋梯子梁由直徑為16mm的圓鋼加工制成。兩幫支護(hù)采用D22 mm×2 400 mm 的左旋無縱肋螺旋鋼錨桿，每排布置5根，間排距為800 mm×900 mm，靠近頂角和底角的錨桿分別傾斜10°。支護(hù)示意如圖4所示。

4.2 超前工作面和滯后工作面加強(qiáng)支護(hù)

1) 超前加強(qiáng)支護(hù)：超前回采工作面20 m設(shè)置三道走向鋼梁，用1.2 m長頂梁和單體液壓支柱支撐。超前回采工作面40 m范圍內(nèi)，在3105回風(fēng)巷緊靠工作面?zhèn)软敯灏惭b一排D22mm×8 300 mm的高強(qiáng)錨索，間距為800 mm，垂直頂板安裝。在距離實(shí)煤體幫640 mm處頂板打設(shè)一排斜拉錨索，錨索為D22 mm×8 300 mm的高強(qiáng)錨索，間距為800 mm，向煤體內(nèi)側(cè)傾斜30°。工作面支架前移后，對裸露頂板用單體液壓支柱加鉸接頂梁進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，支柱間距為1.5m，排距為0.8 m，充填體的充填施工在單體支柱之間進(jìn)行。

2) 工作面后方加強(qiáng)支護(hù)：充填體成型后初期強(qiáng)度較低，為減輕工作面滯后支承壓力對充填體的擠壓，在工作面后方60 m范圍內(nèi)留下一排單體液壓支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，支柱間距為800 mm，距離煤幫2.4 m。加強(qiáng)支護(hù)示意如圖5所示。

4.3 巷旁充填體頂板支護(hù)及巷旁充填

1) 充填體頂板支護(hù)。采煤機(jī)割煤時(shí)，每割一刀(0.8 m)，將充填區(qū)域頂板裸露后，在液壓支架前方即將進(jìn)行充填區(qū)域的頂板安裝兩根D22 mm×8 300 mm的高強(qiáng)錨索，靠近沿空巷道的一根緊貼充填體直接頂邊緣安裝，錨索間排距為1 200 mm×800 mm，靠近采空區(qū)一側(cè)的錨索向采空區(qū)傾斜10°安裝，錨索預(yù)緊力不小于200 kN，錨固力大于400 kN。如圖5所示。

圖4 3105回風(fēng)巷基本支護(hù)(mm)

圖5 巷旁充填體頂板支護(hù)及加強(qiáng)支護(hù)示意

2) 巷旁充填體支護(hù)巷旁充填體寬度為1.5 m，每推進(jìn)兩刀(1.6 m)充填一次，充填體長度為1.6 m，充填高度為3.6m，采用水灰比為1.5∶1的高水充填材料，材料在地面配制完成后運(yùn)送到工作面充填料場，在充填泵內(nèi)與水?dāng)嚢杈鶆蚝蟊盟椭脸涮羁蚣軆?nèi)，充填框架由鋼筋綁扎而成，充填體具有一定強(qiáng)度后進(jìn)行脫模工作。巷旁充填體采用直徑為22 mm的對拉錨桿進(jìn)行加固，錨桿間排距為900 mm×800 mm，靠近底板的錨桿距離底板400 mm，鋼筋網(wǎng)直徑為4.5 mm，網(wǎng)孔邊長小于80 mm。

5 應(yīng)用效果

為考察3105回風(fēng)巷沿空留巷圍巖控制技術(shù)的支護(hù)效果，在3105工作面回采期間布置圍巖位移觀測點(diǎn)，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。由圖可知，3105回風(fēng)巷在3105工作面回采期間，頂板最大下沉量為320 mm，底板最大底鼓量為200 mm，實(shí)體煤幫最大移進(jìn)量為238 mm，充填體幫最大移進(jìn)量為100 mm。綜上可知，3105回風(fēng)巷沿空留巷期間圍巖變形量在可控范圍內(nèi)，滿足為3107工作面服務(wù)的斷面要求。

圖6 巷道圍巖表面位移觀測結(jié)果

6 結(jié) 語

根據(jù)新景煤礦3105工作面具體地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬確定了巷旁充填體的支護(hù)參數(shù)，選擇高水速凝材料作為巷旁充填材料，采用斜拉錨索增強(qiáng)留巷頂板的穩(wěn)定性。通過現(xiàn)場應(yīng)用并對沿空留巷圍巖位移進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明：頂板最大下沉量為320 mm，底板最大底鼓量為200 mm，實(shí)體煤幫最大移進(jìn)量為238 mm，充填體幫最大移進(jìn)量為100 mm。能夠滿足為3107工作面服務(wù)的要求。