沿空留巷充填区域直接顶加固技术的应用

王 晨

(山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 030600)

沿空留巷指的是通过适当的巷内支护及巷旁支护将回采工作面巷道保留下来为下个工作面服务，这种巷道布置方式消除了原有的区段保护煤柱，对于提高煤炭采出率、降低巷道掘进率、解决上隅角瓦斯积聚问题都有很大的帮助。沿空留巷不同于普通回采巷道，工作面回采后通常需要在采空区边缘(充填区域)构筑一定宽度的巷旁充填体将巷道保留下来。以往关于沿空留巷技术的研究，大多强调巷内支护和巷旁支护技术，关于巷旁充填区域直接顶稳定性的研究很少，本文以新元煤矿9104辅助进风巷沿空留巷工程实践为背景，探究巷旁充填区域直接顶加固的技术方案，以有效提高留巷顶板及帮部围岩的稳定性。

1 工程概况

山西新元煤炭有限责任公司所属的9104综采工作面地表位于韩庄村以北，清平镇以东，南燕竹以南，冀家垴村西的黄土塬、黄土峁及沟谷地带。井下东邻9#东胶带大巷、9#辅运大巷，南邻9103回风巷。上部为3#煤3204综采工作面(已采完)、3205综采工作面(已采完)；其他方向均未布置巷道，工作面具体位置关系见图1. 9104工作面地面标高1 058.0～1 130.6 m，工作面标高474.4～559.8 m，埋藏深度520～650.6 m. 9#煤层厚度为1.0～4.5 m,平均厚度为3.36 m，煤层倾角为1°～5°，平均为2°. 为满足工作面通风的要求单个工作面需要布置3条回采巷道，如9104工作面回采巷道有9104进风巷、9104辅助进风巷和9104回风巷，在以往的工作面回采完毕后，这些巷道均废弃，这不仅造成工作面采掘接替困难，并且造成大量的资源浪费。因此，为提高回采工作面的采出率，设计将9104辅助进风巷通过巷旁充填沿空留巷作为9105工作面的辅助进风巷使用。

图1 9104工作面采掘布置平面图

2 充填区域直接顶稳定性分析

目前，常用的沿空留巷支护技术采用巷旁充填体对留巷顶板进行支撑，并采取适当的加固方式将巷道保留下来。充填区域直接顶是采空区构筑的巷旁充填体上方的顶板，该区域顶板反复受到工作面采动的影响，导致充填区域直接顶岩层出现强度衰减和剪胀变形，因充填体接顶不实导致直接顶下沉严重，最终导致留巷顶板和巷旁充填体破坏严重，留巷失败。因此，充填区域顶板岩层的稳定性对于整个沿空留巷的成功起着关键的作用。沿空留巷模型图见图 2.

图2 沿空留巷模型图

充填区域直接顶岩层破坏的主要原因是强度衰减和剪胀变形。强度衰减是指岩层在集中应力的作用下，围岩的强度和完整性逐渐减小，岩石的抗压强度远远大于其抗剪强度，可见充填区域顶板岩层的主要破坏形式为剪胀变形。因此，设计采用加固法控制顶板的滑移剪胀变形，即通过增大充填区域直接顶在垂直方向上的约束力，提高直接顶岩层竖直方向上的承压能力和水平方向上抵抗滑移的能力。常用的方法为：1) 采煤工作面推进后，在巷旁充填之前用锚杆对充填区域顶板进行超前加固。2) 加快巷旁充填体成型的速度，在工作面回采后，使巷旁充填体迅速的支承顶板。

充填区域直接顶回转下沉过大将引起直接顶和基本顶离层，主要治理方法为提高充填体对顶板的支护阻力，减小无充填体阶段和充填体增阻阶段充填区域直接顶的回转下沉，常用方案：1) 采用锚索超前加固充填区域上方直接顶和基本顶，将直接顶悬吊在上方的稳定岩层中，增大其回转下沉的阻力。2) 回采工作面后方未充填区域采用单体液压支柱进行临时支护，减小充填施工区域顶板的空顶长度。3) 如果充填体强度过大，可能导致巷旁充填体钻顶发生切冒事故，因此，应选取适当的巷旁充填材料，为直接顶提供适度的支撑力。

3 工程实践

以9104辅助进风巷沿空留巷为工程背景，该巷道的净断面宽4.8 m×高3 m. 9104辅助进风巷沿空留巷围岩控制技术主要包括巷内基本支护、巷内加强支护、充填体设计以及充填区域顶底加固技术。考虑到9104辅助进风巷在留巷期间巷旁充填体的位移及使用的需求，将留巷断面设计为宽5.2 m×高3 m. 巷旁充填体材料选用水灰比为1.5∶1的高水材料，充填体宽度为2.0 m，安装对拉锚杆进行加固，间排距为750 mm×800 mm.

3.1 9104辅助进风巷巷内基本支护和加强支护

1) 顶板支护。

基本支护：锚杆为d20 mm×2 400 mm 的左旋无纵肋螺旋钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，中部5根锚杆垂直顶板安装，两侧锚杆分别向两侧倾斜15°安装，每排共7根锚杆。锚索为d17.8 mm×8 300 mm的1×7预应力钢绞线，锚索均垂直顶板安装，间排距为1 600 mm×1 600 mm，每排布置两根锚索。锚索与锚杆之间通过W型钢带连接，同时铺设由10#铁丝加工的长5 000 mm×宽800 mm的菱形金属网。锚杆锚固剂为d23 mm×800 mm超快速树脂药卷，锚索锚固剂为d23 mm×1 200 mm双速树脂药卷，每个锚杆锚索均配备一支锚固剂。沿空留巷期间巷内加强支护：超前工作面200 m安装d21.6 mm×8 300 mm的1×7 预应力钢绞线锚索，间排距为1 750 mm×1 600 mm，每排布置3根锚索，并且在原有的两根锚索间补打一根锚索。锚固剂采用一支CK2350和两支 Z2350 树脂锚固剂，预紧力为200 kN.

2) 两帮支护。

基本支护：锚杆为d20 mm×2 400 mm 的左旋无纵肋螺旋钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，每排两根锚杆均垂直煤壁安装，锚固剂为一支d23 mm×800 mm超快速树脂药卷，并且在两帮铺设菱形金属网进行加固。实煤体帮补强支护：原支护每排锚杆对应位置距离巷道底板300 mm处补打一根向下倾斜15°的底角锚杆，锚杆型号不变。每两排锚杆补打一排d21.6 mm×4 300 mm钢绞线锚索，间排距为1 600 mm×1 600 mm，每排两根锚索，靠近顶板的锚索与顶板距离为800 mm. 补打锚杆锚固剂为CK2350、Z2350各一支，预紧力为80 kN，锚索锚固剂为一支CK2350和两支Z2350树脂锚固剂，预紧力为200 kN. 9104辅助进风巷基本支护及留巷期间加强支护布置图见图3a).

3) 留巷期间巷内临时加强支护。

工作面回采后，滞后充填体施工处约100 m范围内采用单体支柱及π型梁加强顶板的支护，一个布置3排单体支柱，支柱的间排距为1 500 mm×1 600 mm，具体的布置情况见图3b).

图3 9104辅助进风巷支护系统布置图

3.2 充填区域直接顶稳定控制技术

回采工作面每推进1刀(0.8 m)，在没有进行充填的区域顶板安装一排d20 mm×2 400 mm的螺纹钢锚杆，每排4根锚杆，间排距均为800 mm，距离采空区侧最近的锚杆向采空区侧倾斜15°，其余的垂直顶板安装。每两排锚杆间安装一排d21.6 mm×8 300 mm锚索，间排距为1 200 mm×1 600 mm，铺设塑料网配合由d14 mm的圆钢加工成的钢筋梯子梁进行加固。为了减小充填区域直接顶的回转下沉，在待充填区域布置两架 ZZC8300/22/35 型四柱支撑掩护式挡矸支架，9104辅助进风巷充填区域顶板围岩情况见图4.

图4 9104辅助进风巷充填区域顶板加固图

图5 留巷围岩变形及充填体载荷变化图

4 应用效果分析

在9104工作面回采期间对9104辅助进风巷围岩变形情况进行观测，结果见图5a). 由图5a)可知，9104辅助进风巷留巷后，其围岩的变形量随着滞后回采工作面距离的增大逐渐增加，并逐渐趋于稳定。顶板最大下沉量约为268 mm，底板最大底鼓量约为468 mm，实煤体帮最大位移量为539 mm，充填体帮最大移进量为108 mm，巷道整体变形量较小，能够满足作为9105工作面辅助进风巷的断面要求。

为了验证充填区域直接顶加固的效果，在9104辅助进风巷留巷期间监测直接顶与充填体之间的载荷，见图5b)，充填体承受的载荷在工作面后方90～100 m达到最大值12.69 MPa，之后逐渐减小，在150 m后稳定在9.86 MPa左右。由此可知，通过对充填区域直接顶的加固不仅能够提高留巷直接顶的稳定性，并且能够减小巷旁充填体所承受的载荷，减小其位移和变形。综上可知，采用充填区域直接顶分区域动态加固稳定控制技术后，留巷期间巷道围岩的变形得到有效地控制。

5 结论和建议

通过理论分析得知，充填区域顶板岩层的稳定性对于整个沿空留巷的成功起着非常关键的作用，由此提出了以减小充填区域直接顶岩层的强度衰减和剪胀变形为基础的支护理念，应用锚杆锚索、充填体及四柱支撑掩护式挡矸支架对充填区域顶板围岩进行控制，现场应用及监测结果表明，该技术有效地控制了巷道直接顶的回转下沉，留巷期间围岩的位移量控制在合理的范围内，充填体与直接顶间载荷稳定在9.86 MPa，充填体的支撑能力仍有富余，避免了直接顶与基本顶间的离层，最终取得了良好的留巷围岩控制效果。