综采工作面沿空留巷支护技术研究

宋亚階

(汾西矿业南关煤业,山西 灵石 031300)

南关煤矿在生产过程中面临着采掘接替紧张、采煤工作面上隅角瓦斯积聚的难题，经统筹考虑，决定将3302综采工作面回风平巷作为沿空留巷试验巷道，一举解决上述问题。本文针对综采工作面沿空留巷支护技术难题，开展了相关研究。

1 工程概况

南关煤矿3302综采工作面布置在山西组3#煤层中，该煤层底板标高为+682 m～+772 m，地面标高为+976.4 m～+1 120.5 m，煤层结构简单，呈背向斜相间构造，煤层倾角2°～4°，平均3°，煤厚1.65 m～1.75 m，平均厚度1.72 m，稳定可采；3302工作面走向长1 450 m，倾向长180 m，采用倾斜长臂采煤法采煤。依据3301工作面回采期间瓦斯涌出情况，预计该工作面绝对瓦斯涌出量为12.2 m3/min，且煤尘具有爆炸危险性。3#煤层顶底板围岩特性如表1所示。

表1 3#煤层顶底板围岩特性表

2 沿空留巷巷道围岩变形及控制机理

关键层理论认为，关键层破断后会在沿空巷道上方形成“砌体梁”结构，其中，回转下沉的关键块B的一个支撑点在采空区松散破碎岩块上，另一个在实体煤侧。沿空留巷覆岩破断模型[1-3]如图1所示。

图1 沿空留覆岩破断模型

沿空巷道实体煤帮因受覆岩的应力集中作用而出现不可逆的塑性形变，更甚者发生破坏。巷道顶板会出现一定的破断及冒落，充填墙体则随关键块B回转下沉而发生一定的收缩变形。若关键块B回转变形剧烈，则充填墙体会发生失稳，顶板垮落，进而造成整个巷道的破坏。因此，控制关键块B的稳定是沿空留巷支护的关键。

3 充填墙体设计

充填墙体设计要求：早期适应关键块B下沉，中、后期具有高支护阻力。充填材料设计要求：混凝土坍塌度适宜，便于长距离泵送混凝土。通过大量试验研究，确定充填墙体的材料组分、配比以及混凝土的强度，详见表2、表3。

表2 混凝土充填材料配比表

表3 充填体材料强度测定

国内沿空留巷充填墙体设计经验表明，充填墙体宽度不宜小于工作面采高的0.76倍，此矿取1.7 m。则充填墙体的工作阻力静载荷见式(1)[4]。

(1)

式中：B1为巷道实体煤帮至切顶线的悬顶宽度，为留巷宽度与充填墙体宽度之和的1.2倍；B2为留巷宽度，取3.3 m；γ为岩石平均容重，取2.5 t/m3；m为煤层采高，取1.72 m；k为冒落岩石的碎胀系数，为1.25～1.5。取1.25。

基本顶来压动载荷为静载荷的2倍～4倍，则动载荷时充填墙体所受载荷为0.6 MPa～1.2 MPa，而充填墙体的强度24 h便可达到7 MPa，完全可以满足承载要求。

4 巷内支护设计

3302工作面回风平巷沿空留巷后净断面尺寸为长3.3 m×宽2.7 m，巷内支护方式如图2所示：实体煤帮布置3根Φ20×2 000 mm、间排距900 mm×900 mm的螺纹钢锚杆、 2根Φ17.8 mm×6 000 mm、间排距900 mm×1 800 mm的锚索；顶板布置4根Φ17.8 mm×8 000 mm，间排距900 mm×1 800 mm的锚索、5根Φ20 mm×2 200 mm、间排距800 mm×900 mm的螺纹钢锚杆(肩角处锚杆与水平方向呈80°布置)。

图2 沿空留巷支护设计断面图(mm)

5 数值模拟

采用FLAC3D软件建立了105 m×180 m×55 m的力学模型，模拟沿空巷道在工作面开采时的应力变化特征。由FLAC3D数值模拟可知，煤层尚未开采时，由于巷道的掘进及上工作面的采动影响，沿空巷道的实体煤帮、充填墙体便产生一定的塑性破坏。当工作面推进10 m时，由于煤体的采出，沿空巷道覆岩原有的稳定“砌体梁”结构遭到破坏，关键块B回转下沉，使得充填墙体及其外侧顶板塑性破坏加大。当工作面推进30 m时，巷道的顶底板、两帮塑性破坏进一步加大，底板出现一定的底膨现象[5]。当工作面推进80 m时，巷道围岩应力趋于稳定，基本不再变化，此时，充填墙体仍具有较强的承载能力，经受住了工作面的采动影响；实体煤帮、底板塑性破坏范围较大，围岩变形较大。

由图3巷道变形特征曲线可知：1) 顶板形变最大，最大值为180 mm，煤帮及底板次之，充填墙体最小，为35 mm。2) 距工作面前方30 m时，巷道围岩开始发生形变，在工作面前方-20 m～5 m范围内，由于沿空巷道上方稳定的“砌体梁”结构遭到破坏，巷道围岩变形最为剧烈。因此，应在工作面前方30 m处加强巷道临时支护，如使用单体液压支柱配合方木一梁两柱进行支护，在距工作面前方5 m及工作面后方20 m范围内应强化巷道矿压观测，确保生产作业安全。

图3 巷道形变特征曲线

6 结语

沿空留巷可以减少巷道掘进工程量，缓解紧张的采掘关系，在矿井中的应用日益广泛。本文在对沿空留巷围岩变形破坏机理分析的基础上，对3302综采工作面回风平沿空留巷试验巷道的充填墙体的材料及配合比以及巷道的支护参数进行设计，模拟结果表明，采用的墙体材料及巷道支护参数可以保证巷道围岩稳定。