沿空留巷充填體參數(shù)確定與支護(hù)方法研究

張 青

（翼城華泓煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 043500）

1 工程概況

針對(duì)緩傾斜厚煤層綜放開采技術(shù)，為提高煤炭資源回采率，往往采用沿空留巷工藝，而巷旁充填體參數(shù)對(duì)于巷道的穩(wěn)定性影響重大[1-2]。探究該技術(shù)應(yīng)用下沿空巷道充填體參數(shù)優(yōu)化，提出合理的支護(hù)方法，對(duì)保證沿空巷道穩(wěn)定是非常必要的[3-4]。華堡煤礦主采3#煤層的3207 工作面，煤層傾角7°，平均厚5.3 m，采高2.6 m，工作面長(zhǎng)度180 m，采用綜放采煤工藝。3207 工作面位于井田南部二采區(qū)，南為3208 工作面采空區(qū)，西為井田邊界，東為采區(qū)巷道，北為實(shí)體煤。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

3207 工作面采用“Y”型通風(fēng)方式，其中皮帶巷和軌道巷沿煤層底板掘進(jìn)，皮帶巷和軌道巷為進(jìn)風(fēng)巷，皮帶巷采后進(jìn)行沿空留巷，作為連通工作面和回風(fēng)巷的回風(fēng)通道（如圖1）。需研究巷旁充填體參數(shù)和沿空巷道一體化支護(hù)方法，以有效解決沿空巷道穩(wěn)定性控制問題。

圖1 3207 工作面布置圖

2 沿空留巷巷旁充填體參數(shù)確定

在巷道圍巖屬性確定的條件下，充填體的強(qiáng)度和幾何尺寸成為影響沿空留巷成敗的關(guān)鍵要素。采用FLAC3D軟件[5-6]分析不同充填體參數(shù)下巷道所受應(yīng)力及變形情況，模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=350 m×300 m×100 m，模擬巷道尺寸為寬×高=5.8 m×3.0 m，模型底部及四周進(jìn)行位移約束，模型頂部施加4.5 MPa 載荷等效于上覆巖層自重。煤巖體力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.1 不同充填體寬度數(shù)值模擬分析

針對(duì)沿空留巷段充填體寬度，研究選取寬度為1.0 m、1.5 m 與2.0 m 三種工況進(jìn)行分析。不同充填體寬度下巷道變形情況如圖2。對(duì)于沿空巷道，隨著充填體寬度的增加，巷道變形整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，其中頂板最大下沉量分別為188 mm、133 mm與121 mm，底板最大底鼓量分別為75 mm、72 mm與71 mm，充填體側(cè)最大位移量分別為465 mm、273 mm 與242 mm，實(shí)體煤側(cè)最大位移量分別為57 mm、54 mm 與52 mm?？梢钥闯?，巷道充填體側(cè)變形發(fā)展受充填體寬度影響最為明顯。值得注意的是，對(duì)于寬度1.5 m 與寬度2 m 兩種工況，充填體側(cè)變形均較小，滿足巷道穩(wěn)定要求。綜合施工材料成本考慮，確定合理充填體寬度為1.5 m。

圖2 不同充填體寬度下巷道變形量

2.2 不同充填體強(qiáng)度數(shù)值模擬分析

針對(duì)沿空留巷段充填體強(qiáng)度，研究選取強(qiáng)度分別為10 MPa、15 MPa 與20 MPa 三種工況進(jìn)行分析。不同充填體強(qiáng)度下巷道充填體側(cè)垂直應(yīng)力分布情況如圖3?？梢钥闯?，當(dāng)強(qiáng)度為10 MPa 時(shí)，充填體側(cè)垂直應(yīng)力為3.5 MPa；當(dāng)強(qiáng)度為15 MPa 時(shí)，充填體側(cè)垂直應(yīng)力為4 MPa；當(dāng)強(qiáng)度為20 MPa 時(shí)，充填體側(cè)垂直應(yīng)力為12 MPa。

圖3 不同充填體強(qiáng)度下巷道垂直應(yīng)力分布情況

針對(duì)不同的充填體強(qiáng)度，數(shù)值模擬得到圍巖變形情況如圖4。對(duì)于沿空巷道，隨著充填體強(qiáng)度的增加，巷道變形整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，頂板最大下沉量與底板最大底鼓量降低程度較小，基本呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。隨著充填體強(qiáng)度的增加，沿空巷道兩側(cè)位移均顯著降低，特別是當(dāng)強(qiáng)度為20 MPa 時(shí)，巷道整體變形較小，在允許范圍內(nèi)。由此確定合理充填體強(qiáng)度為20 MPa。

圖4 不同充填體強(qiáng)度下巷道變形量

3 沿空留巷支護(hù)方法

3.1 巷道永久支護(hù)方法

3207 皮帶巷凈寬5800 mm、凈高3000 mm，凈斷面17.4 m2，原巷道頂板布置6 根錨桿及3 根錨索，兩幫布置3 根錨桿。為保證留巷圍巖的穩(wěn)定，提出錨桿（索）加密補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方法，對(duì)巷道頂板由原來(lái)的每排6 根錨桿補(bǔ)強(qiáng)為8 根錨桿，錨桿間排距為800 mm×900 mm；頂錨索垂直巷道頂板布置，長(zhǎng)度為6300 mm，兩邊錨索距巷道幫部距離分別為1050 mm 和350 mm，錨索間排距1500 mm×1800 mm。巷道兩幫每側(cè)打設(shè)4 根錨桿，長(zhǎng)度為2500 mm，間排距800 mm×900 mm。巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面如圖5。

圖5 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面圖（mm）

3.2 巷道臨時(shí)支護(hù)方法

1）掛設(shè)護(hù)頂擋矸金屬網(wǎng)

工作面機(jī)尾段液壓支架（共5 架）頂板鋪設(shè)聯(lián)接10#雙層金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)與巷道頂板金屬網(wǎng)搭接500 mm，采用雙絲三扣、隔孔相聯(lián)的方式聯(lián)接兩道。金屬網(wǎng)規(guī)格7 m×1 m，網(wǎng)孔50 mm×50 mm。

2）打設(shè)切頂邁棚木支柱

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，井下破壞的柔?；炷翂w寬度普遍在0.8～1.0 m 范圍內(nèi)，且以小于1 m 范圍居多。造成這一問題的根源是切頂擋矸支護(hù)沒有支設(shè)到指定位置，偏向巷道內(nèi)，而留巷寬度一定，導(dǎo)致墻體寬度不夠。為此，支架移架后，提出沿預(yù)計(jì)的留巷充填體采空區(qū)側(cè)打設(shè)切頂邁棚木支柱，每排打設(shè)兩根，排距600～800 mm，圓木規(guī)格Φ200 mm×3000 mm。

3）單體支柱支護(hù)

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，在工作面超前50 m 與滯后200 m 范圍應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，采用“一梁三柱+π 型梁”支護(hù)方法。新澆筑的混凝土充填體，沿邊打設(shè)一排加強(qiáng)單體，排距0.8 m?；炷翝仓? d 后（約推進(jìn)20 m），此排單體可依次回收。

4 實(shí)踐效果

為進(jìn)一步證實(shí)方案的可靠性，對(duì)3207 沿空巷道穩(wěn)定情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，觀測(cè)巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃吻闆r，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6。沿空巷道變形穩(wěn)定后，頂板最大下沉量為163 mm，充填體側(cè)最大位移量為218 mm，實(shí)體煤側(cè)最大位移量為146 mm，底板最大底鼓量為133 mm，3207 沿空留巷巷道穩(wěn)定性控制效果良好。

圖6 巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

1）沿空巷道充填體側(cè)變形發(fā)展受充填體寬度影響明顯。巷旁充填體寬度越大，可承載的上覆頂板回轉(zhuǎn)下沉變形越大，越有利于沿空巷道的穩(wěn)定。綜合施工材料成本等因素，確定合理充填體寬度為

1.5 m。

2）隨著充填體強(qiáng)度的增加，沿空巷道兩側(cè)位移均顯著降低，特別是當(dāng)強(qiáng)度為20 MPa 時(shí)，巷道整體變形較小，充填體側(cè)位移減小40.4%，滿足穩(wěn)定要求，確定合理充填體強(qiáng)度為20 MPa。

3）提出錨桿（索）加密補(bǔ)強(qiáng)永久支護(hù)與“掛設(shè)護(hù)頂擋矸金屬網(wǎng)+打設(shè)切頂邁棚木支柱+單體支柱”臨時(shí)支護(hù)的沿空留巷一體化支護(hù)技術(shù)，結(jié)合合理的巷旁充填體參數(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，沿空巷道最大變形量為218 mm，實(shí)現(xiàn)了3207 工作面沿空巷道的穩(wěn)定。