综采面无煤柱沿空留巷充填体承载特性及稳定性分析

姚 健

（山西煤炭进出口集团科学技术研究院有限公司，山西 太原 030006）

沿空留巷技术相比较留设煤柱维护巷道而言，不但能够保证工作面瓦斯含量安全，而且可以提高煤炭采出率及有效地控制巷道稳定[1-3]。由于之前采用的巷旁支护技术存在局限性，难以适应沿空留巷围岩变形，因此高水材料进入人们的视野。高水材料因具有增阻速度快、支护阻力大、适量可缩等优点，近年来被越来越多地应用于沿空留巷[4]。

现阶段，许多研究学者针对沿空留巷支护技术进行了大量研究，但对于高水材料充填体的特性及力学作用机理还少有研究，而高水材料巷旁支护是保证沿空留巷成功的关键，因此需进一步深入研究。

1 工程概况

1.1 矿井概况

凌志达煤业矿井生产能力为150万t/a，随着矿井生产效率的不断提高，传统的留设宽煤柱进行护巷已不适应具体工作面需求，急需进行无煤柱沿空留巷技术研究。目前，矿井设计中工作面区段保护煤柱宽度为20m，不仅造成了大量的煤炭资源损失，降低了煤炭采出率，同时，下区段工作面回采期间采空侧回采巷道维护量大，给矿井安全高效生产带来安全隐患。因此，凌志达煤矿拟结合15210工作面煤层、顶底板力学性质和采、掘等生产地质条件，进行无煤柱沿空留巷技术研究。沿空留巷示意图如图1所示。

图1 沿空留巷示意图

1.2 工作面条件

15210工作面所采煤层为15号煤层，属结构简单-复杂近水平中厚煤层。15210工作面煤层厚度在4～4.5m之间，平均4.28m，煤层倾角3～6°。煤层直接顶为平均厚度0.7m的泥岩和平均厚度1.1m的14#煤，据巷道掘进揭露的情况，大多数直接顶缺失，15#煤上方多为坚硬的K2灰岩，其平均厚度为6.02m，见表1。15210工作面位于二采区南部，其东部为15208工作面，西部为实体煤，南部为井田边界，北部为东翼回风大巷，盖山厚度195～300m，平均埋藏深度260.5m。15210工作面长度200m，回风顺槽（辅助进风顺槽）设计长度1890m。

表1 煤层顶底板情况表

2 高水材料巷旁充填沿空留巷技术

相比较矸石沿空留巷技术和柔模混凝土沿空留巷技术，高水材料沿空留巷技术具有以下优势[5]：

（1）工艺系统简单，初期投资少

高水材料沿空留巷技术所需要购置的主要设备仅为搅拌桶和双液泵及相应尺寸的管路，工艺系统非常简单，设备初期投资很少。

（2）可长距离输送，机械化程度高

高水材料沿空留巷工艺用水量大，浆液流动性好，易于通过管路泵送，单浆液长时间内不凝结，能够实现长距离泵送运输，很好地适应复杂的井下生产环境，相比较其他沿空留巷方法，生产效率高。

（3）减少矿井水处理和排放的相关费用，符合国家节能减排优惠政策

高水材料沿空留巷技术能够大量利用矿井水，减少了矿井水处理与排放及其相关费用，同时又能够提高煤炭资源回收率。

（4）充填体能适应顶板下沉，保持留巷的整体稳定性

高水材料充填体初期支护阻力大，增阻速度快，恒阻性能好，与顶板接触效果好，能够适应顶板下沉而让压，并且充填体中置入的锚栓的作用使得充填体整体支护稳定性好。因此，高水材料充填体能够满足巷旁支护控制顶板和切顶的要求。

（5）有效将留巷巷道与采空区隔离，提高矿井生产安全性

高水材料充填体能够很好地把采空区与巷道隔离开，能有效防止瓦斯爆炸和火灾，从而提高矿井开采的安全性。

3 巷旁充填体力学分析及支护参数选取

3.1 充填体切顶沿空留巷力学模型

由采场矿压理论可以得知，沿空留巷顶板可以看作为弹性薄板，直接顶上的压力P=Ky（K为垫层系数，y为基本顶岩层的竖向变形量）。在沿空留巷围岩条件中，选取顶板达到危险状态时的截面，建立力学模型[5]如图2所示。由于巷旁支护阻力远远大于巷内支护阻力，因此巷内支护阻力忽略不计。

图2 沿空留巷力学模型

将模型进一步简化，可知挤压力TC为：

式中：

h-AC岩块的厚度；

L-AC岩块的长度；

△SC-AC岩块被切断时C端的下沉量；

q-岩块单位长度自重；

α-煤层倾角，取4°。

沿空留巷下侧煤体支承压力σy和应力极限平衡区宽度x0计算式为：

式中：

A-侧压系数；

H-开采深度；

Px-支架对煤帮的支护阻力；

γ-上覆岩层平均容重；

M-采高；

C0、φ0-粘聚力及内摩擦角；

k-应力集中系数。

3.2 充填体切顶巷旁支护阻力计算

根据前文建立的力学模型，可对两岩块建立平衡方程。

BC岩块，倾角α的垂直方向，∑Fn=0，得：

倾角α的平行方向，∑Fs=0，得：

∑MB=0，得：

AB岩块，∑MA=0，得

式中：

ML-基本顶极限弯矩；

q0-直接顶单位长度自重；

d-巷旁支护体宽度；

c-巷道宽度；

h-基本顶岩层厚度；

Pq-切顶阻力；

M0-A端基本顶的残余弯矩；

△SB-基本顶垮落前B端的下沉量，其计算式为：

BC岩块长度，其计算式为：

式中：

b-基本顶来压步距，m；

Lm-工作面长度，m。

根据15210工作面生产地质条件，工作面长度200m，煤层开采厚度平均为4.3m，巷道最大埋深300m，来压步距为25m，基本顶厚度6.8m，直接顶厚度1.8m，留巷后巷道宽度5.0m，充填体宽度2.5m，上覆岩层容重为25kN/m3，应力集中系数为2.0，侧压系数取为0.4，煤层粘聚力为2.0MPa，煤层与顶底板摩擦角25°，基本顶岩层抗拉强度为8.0MPa，煤帮支护阻力为0.1MPa，煤层倾角平均4°，将上述参数代入公式（7）得到15210工作面回风顺槽充填体的切顶阻力为2265kN/m。

4 高水材料巷旁充填体参数设计

通过上述分析计算，确定凌志达煤矿15210工作面回风顺槽沿空留巷采用高水材料净浆充填，同时采用浅孔定向爆破辅助切顶。高水材料的水灰比为1.5:1，其抗压强度按10MPa考虑，则所需的充填体宽度理论计算值为2.27m。

在切顶的前提下，考虑适当的富余系数后，当端头采高不超过4.0m时，初步设计巷旁充填体宽度为2.5m，充填体全部位于采空区内，并对充填体进行加固，具体设计如下：

在充填体内布置Ф22mm的螺纹钢对拉锚杆，对拉锚杆间排距为1000×800mm，最上面1根距顶板500mm，最下面1根距底板500mm。采用Ф14mm圆钢焊制的钢筋梯子梁，配套使用120mm×120mm×10mm的托盘。钢筋网要求使用直径为6.5mm的钢筋加工，使用12#铁丝双股联网，钢筋网搭接部分不小于100mm，加固示意图见图3。

5 工业试验

工作面回采后，15210工作面回风顺槽保留作为下一个工作面顺槽使用，在工作面回采及留巷期间，顶板活动强烈。实践表明，沿空留巷顶板活动强烈的范围在工作面后方100～120m范围内，故15210工作面后方120m范围内需要采用单体液压支柱加强支护。为了保持顶板完整性，在液压支架后方进行充填区域顶板锚网索支护。

凌志达煤矿15210工作面采用高水材料充填体支护技术，留巷稳定后，顶底板移近量稳定在76mm，两帮变形量稳定在94m，保证了沿空巷道的安全稳定，能够满足下一个工作面回采要求。

图3 充填体加固示意图

6 结语

针对现阶段坚硬顶板大采高工作面沿空留巷采用高水材料充填技术等问题，结合凌志达煤矿15210工作面具体地质赋存条件，分析了现阶段高水充填材料的优点与巷旁充填体作用机理，建立了充填体切顶力学模型，分析了充填体支护强度影响因素，确定15210工作面沿空留巷充填体切顶阻力与充填方案参数，取得了良好的应用效果。