高水材料巷旁充填沿空留巷技術在屯蘭礦應用研究

劉 薔

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭煤礦，山西 太原 030206）

1 工程概況

屯蘭礦12509 工作面位于+750 m 水平南五盤區(qū)右翼，聯(lián)合開采的2#、3#煤巖總厚度為4.10～4.70 m，平均厚4.39 m，煤層有益厚度平均3.59 m。其中2#煤厚2.60～3.20 m，平均2.96 m；3#煤厚0.40～0.70 m，平均0.63 m；2#煤與3#煤之間夾一層砂質(zhì)泥巖，厚0.60～1.00 m，平均0.80 m。工作面煤層整體呈向斜構造，傾斜長度219 m，煤層最大傾角8°，最小傾角3°，平均5°。工作面北鄰12507 工作面采空區(qū)，南鄰12511 工作面，東鄰土地溝斷層，西接南五盤區(qū)大巷，如圖1 所示，設皮帶順槽、軌道順槽、切眼、瓦斯治理巷、措施巷五條巷道，所有巷道均沿2#煤頂板布置。煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。以往屯蘭礦采用的混凝土沿空留巷技術存在耗材量大、井下用工多、速度慢、勞動環(huán)境惡劣等問題，需研究更為高效的沿空留巷工藝。以12509 工作面為工程背景，展開高水速凝材料巷旁充填沿空留巷工藝的設計研究與應用試驗。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

圖1 12509 工作面采掘工程平面圖

2 巷旁支護體設計

進行沿空留巷巷旁支護體參數(shù)設計時，考慮頂板巖層的極限狀態(tài)，通過簡化得到彈性基礎梁模型如圖2（a）[1]。

圖2 巷旁支護原理及高水速凝材料特性

巖塊AB、BC 受力平衡，則可得：

扭矩為0，得：

AB 巖塊扭矩為0 可得：

式中：α為工作面傾斜角度；c為巷道留巷支護后寬度；d為巷旁充填體寬度；h為基本頂厚度；Pq為巷旁支護體的切頂阻力；ML為基本頂可承受的極限彎矩；M0為基本頂由A點斷裂后的殘余彎矩；q為巖層容重；q0為直接頂自重；ΔSB為B點下沉量。12509 工作面相關參數(shù)如下：采高4.4 m，傾斜長度219 m，周期來壓步距22 m，平均埋深330 m，基本頂平均厚度4.1 m，直接頂平均厚度2.3 m，留巷后巷道寬度4.5 m，底板巖層平均容重24.5 kN/m3，基本頂抗拉強度1.7 MPa，側(cè)壓系數(shù)為0.4，煤層傾角按平均5°考慮，B 點下沉量300 mm。將上述參數(shù)代入式（4），得到12509 皮帶順槽巷旁充填體強度不應小于11.3 MN/m。

根據(jù)理論計算結(jié)果可知，12509 皮帶順槽沿空留巷期間巷旁充填體提供的支護阻力應不小于11.3 MN/m。屯蘭礦擬采用新型高水速凝材料，該種材料7 d 齡期時單軸抗壓強度與其水灰比變化曲線如圖2（b）所示。結(jié)合以往的工程實踐[2-4]，設計所用高水材料水灰比為1.5:1，充填體抗壓強度11 MPa，安全系數(shù)取2.0，得到充填體寬度理論計算為2.05 m。設計為巷旁充填體寬度2.2 m 符合理論計算要求。

3 沿空留巷支護設計

3.1 巷旁充填體參數(shù)設計

12509 皮帶順槽掘進斷面尺寸寬、高=4.5 m、3.5 m，結(jié)合理論分析計算結(jié)果設計巷旁充填體規(guī)格長、寬、高=3.5 m、2.2 m、3.5 m。為保障巷旁充填體強度及穩(wěn)定性，采用直徑20 mm、長度2300 mm 的螺紋鋼制作對拉錨桿進行加固，充填體表鋪設用直徑為6.5 mm 的鋼筋加工而成的鋼筋網(wǎng)。如圖3。

圖3 巷旁充填體補強支護示意圖（mm）

3.2 留巷側(cè)端頭及鋪網(wǎng)支護

為防止巷旁充填體施工階段頂板冒落，保持充填區(qū)域內(nèi)頂板的完整性及減少充填成本，提高沿空巷道頂板的穩(wěn)定性，結(jié)合屯蘭礦實際生產(chǎn)地質(zhì)條件，具體方案如下：割煤后在端頭2～3 架液壓支架架前鋪柔性網(wǎng)，頂板施工長度2.4 m 的錨桿、長度6.3 m的錨索，布置排距850 mm，然后移架，在采空區(qū)邊緣與待充填位置打設臨時單體，配合鉸接頂梁及鐵鞋，頂梁沿工作面推進方向。充填體上方頂板加強支護如圖4 。

圖4 充填體頂板支護示意圖（mm）

3.3 巷內(nèi)加強支護方案設計

12509 皮帶順槽掘巷時未考慮后期留巷，支護強度相對較低，因此在留巷期間在原支護基礎上進行補強支護，煤柱幫補強錨索型號Φ21.6 mm×5000 mm， 煤柱幫補強錨桿采用Φ20 mm×L2400 mm 螺紋鋼錨桿，頂板補強錨索型號Φ21.6 mm×6300 mm。留巷階段補強支護及原有支護方案如圖5。

3.4 留巷后段加強支護

根據(jù)屯蘭礦沿空留巷工程實踐階段大量觀測結(jié)果表明，滯后本回采工作面80 m 以上時，采空區(qū)頂板活動強度明顯減弱，而與工作面距離小于80 m 范圍內(nèi)的采空區(qū)頂板活動較強烈，因此設計中在工作面后方80 m 范圍內(nèi)的12509 皮帶順槽采用單體液壓支柱加強支護，每排布置3 根支柱，排距為900 mm，間距1200 mm，π 型鋼頂梁與巷道軸線方向垂直布置。

4 應用效果監(jiān)測

在留巷階段設置綜合礦壓監(jiān)測站，定期監(jiān)測沿空巷道的礦壓顯現(xiàn)特征。以12509 皮帶順槽留巷第一個測點監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，通過Excel 軟件和Origin 軟件處理后得到巷道表面變形量及充填體變形量變化趨勢線如圖6。分析可知，在12509 回采工作面后方20～60 m 范圍內(nèi)，采空區(qū)頂板垮落面積快速增大，頂板活動較劇烈，沿空巷道內(nèi)圍巖變形量開始迅速增大，巷旁充填變形量也顯著增大；滯后回采工作面60～90 m 范圍內(nèi)，此時采空區(qū)頂板基本垮落完畢，巷道表面及巷旁充填體變形速度逐漸減小；滯后回采工作面90 m 以上時，巷道表面及充填體變形量基本穩(wěn)定，頂?shù)装逡平?60 mm，兩幫移近量210 mm，巷旁充填體橫向變形量235 mm，縱向變形量190 mm。巷道表面變形量及充填體變形量始終保持在可控范圍內(nèi)，可滿足服務于下區(qū)段回采工作面的斷面需求，留巷支護效果良好。

5 結(jié)論

為提高屯蘭礦沿空留巷工藝效率，設計引入高水速凝材料巷旁充填工藝來替代混凝土沿空留巷工藝。以12509 皮帶順槽留巷為工程背景，通過理論分析給出巷旁支護體強度不應小于11.3 MN/m，設計巷旁充填體寬度2.2 m；結(jié)合巷道原有支護方案及生產(chǎn)地質(zhì)條件設計留巷階段巷旁充填體補強支護、充填體頂板支護、巷內(nèi)補強支護、留巷臨時支護方案。應用監(jiān)測表明，巷道表面及巷旁支護體最大變形量：頂?shù)装逡平?60 mm，兩幫移近量為210 mm，巷旁充填體橫向變形量為235 mm，縱向變形量為190 mm，留巷支護效果良好，可進行高水速凝材料巷旁充填沿空留巷開采工藝的推廣使用。