矿区综采大采高工作面的沿空留巷巷旁支护技术研究及应用

（内蒙古裕兴矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 016064）

沿空留巷是无矿柱开采技术的重要措施之一，在生产过程中，显著体现着其安全性和经济性。因此，沿空留巷技术在我国的各大矿区得到普遍的推广和应用。为了进一步研究矿层地质条件和大采高综采开采条件下沿空留巷技术的适用性，本文以某省某矿区某矿主采矿层综采大采高工作面的沿空留巷巷旁支护为工程背景，从沿空留巷的控制机理、巷旁充填体的支护设计、支护效果监测等方面进行了分析，以此为类似地质条件下的沿空留巷巷旁支护技术的应用提供借鉴。

1 工程背景

（1）矿层赋存条件。某矿位于陕西省境内，目前主采的5#矿层属二叠系山西组，平均埋深在625m，矿层倾角在5°～12°，平均8°的近水平矿层，普氏系数f为1.0左右，另外矿层的水文地质条件简单，顶板砂矿中含有微量水源。

（2）工作面概况。为了提高矿层回采率，对5#矿层采用一次采全高的综合机械化采矿方法，区段之间实行沿空留巷技术，即将上区段的轨道平巷作为下区段的回风平巷。在进行5#矿层首采区首采面35101工作面回采过程中，沿空留巷巷内支护采用锚杆锚索联合支护结构，巷旁支护体为普通水泥砂浆材料。当该区段工作面完全推过后，沿空留巷采空区侧的巷旁支护体发生了明显的压缩变形，导致沿空留巷变形量超过了其允许的变形量。在综合考虑矿层松软等条件后，决定通过改进巷旁支护体来控制沿空留巷的变形量和确保工作面的安全回采。

2 矿区沿空留巷的控制机理

（1）沿空留巷覆矿特征。根据矿层控制的关键层理论，矿层回采后，采场附近的上覆矿层破断形成砌体梁结构。区别于普通区段平巷，矿区综采大采高的沿空留巷采空区侧是巷旁支护体，留巷顶板下沉受制于上部直接顶的跨落和基本顶的回转下沉运动，另外，由于沿空留巷上部基本顶在实体矿侧和采空区侧的板下沉量不均，采空区侧顶板下沉量明显大于实体矿侧，导致巷旁支护体承受更大的荷载，巷旁支护更加困难。在沿空留巷条件下，巷旁充填体、沿空留巷的巷内支护结构、实体矿矿壁三者共同承担上覆矿层的支承压力。随着工作面的不断推进，基本顶矿层中的关键块体回转和下沉，人工设计的巷旁充填体和巷内支护结构将会在很大程度上影响上覆矿层的运动规律，从而把巷道变形量控制在工程允许的范围之内，以保证回采巷道的稳定性和安全性。

（2）巷旁充填体支护阻力分析。沿空留巷过程中，巷旁充填体的支护效果是确保巷道正常使用、保证沿空留巷技术成功实施的关键要素之一。通常情况下，沿空留巷的巷旁支护体前期要承担直接顶矿层的整体自重，因此必须具有一定的支护阻力以切断直接顶矿层。另外，在基本顶关键层断裂后，巷旁支护体将要承受来自上方关键块体回转和下沉作用的影响，以控制巷道变形量在规定的范围内。

根据实体矿、巷内支护、巷旁支护三者之间的关系，巷旁支护体的临界阻力为：

式中：ha—直接顶厚度，m；hb—上覆基本顶等不能自我平衡的矿层厚度，m；γa—直接顶容重，kN/m3；γb—上覆基本顶等矿层的平均容重，kN/m3；x0—实体矿侧的塑形平衡区宽度，m；L—基本顶周期来压最大步距，m；d—巷旁支护体宽度，m；c—沿空留巷的巷道宽度，m。

3 现场工业性试验

（1）根据35102工作面的地质和开采技术情况及现场观测数据，取直接顶厚度ha为3.16m，直接顶容重γa为21.5kN/m3，基本顶厚度hb厚度为9.72m，基本顶容重γb为32kN/m3，实体矿侧塑性平衡区宽度x0为8.2m，基本顶周期来压最大步距L为21m，巷旁支护体宽度d为1.0m，沿空留巷的巷道宽度c为3.0m。将上述参数代入计算公式（1），求得巷旁支护体的临界阻力F为7.36MPa。因此在进行巷旁支护体相关材料选择及设计时，其支护强度要大于7.36MPa，才能保证沿空留巷的安全性和有效性。

（2）巷旁支护体支护设计。在进行巷旁支护体材料选择时，低强度的配比材料不能起到有效支护上覆顶板的作用，导致巷道变形量较大；高强度的配比材料必然会使巷旁支护体承担更多的上覆矿层压力，导致明显的应力集中现象，不利于底板矿层的稳定性。根据该矿层的实际地质情况及首采面沿空留巷的经验，用膏体充填料替换传统的水泥砂浆材料，即通过水泥、粉矿灰作为胶凝材料，矸石和砂子作为惰性骨料，加入早强剂和减水剂等改善混合和材料性能。为使配制的巷旁充填体能取得较好的支护效果，在查阅相关文献资料和配比经验的基础上，确定水泥、粉矿灰、砂子、矸石骨料、水按照质量比为3.5：1.1：3.6：27.2：10.5混合均匀进行配制，并且添加适量的早强剂和减水剂，两者占整体质量的1.3%。巷内及实体矿帮侧支护仍使用之前的支护参数，巷旁支护体为替换后的膏体充填材料。

4 结论

矿层控制的关键层理论认为，矿层回采后，由于沿空留巷上部基本顶在实体矿侧和采空区侧的板下沉量不均，尤其厚矿层大采高开采条件下，沿空留巷巷道的采空区侧顶板下沉量明显大于实体矿侧，导致巷旁支护体承受更大的荷载，巷旁支护更加困难。根据该矿层的实际地质情况及首采面沿空留巷的经验，用膏体充填料替换传统的水泥砂浆材料，有效控制了顶板下沉，并且保持了较好的完整性，巷道变形和充填体内部应力在允许范围内，巷旁支护技术取得了较为成功的应用。