沿空留巷围岩变形特征与控制技术研究

李鹏伟

【摘 要】 沿空留巷受两次工作面采动影响，巷道变形量大，为了研究沿空巷道围岩变形规律和控制技术，本文采用FLAC3D模拟上煤层回采后，本煤层一次回采巷旁充填、二次回采时应力位移变化情况。由模拟可知，伴随回采工作面的推移以及构筑巷旁充填体，工作面后方覆岩逐渐垮落，距后方100m后，上覆岩层基本稳定。采用锚网索支护和注浆加固提高沿空巷道承载能力，通过监测围岩变形量可知，支护取得了良好效果，能为类似条件下沿空留巷围岩控制技术提供借鉴。

【关键词】 沿空留巷;矿压显现;围岩变形;巷旁充填;围岩控制

【中图分类号】 TD324 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）01-0001-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

沿空留巷是煤矿实现无煤柱开采的重要手段。但是由于沿空留巷在工作面后方，受两次工作面采动影响引起的矿压显现要比用煤柱保护引起的矿压显现强烈得多，巷道围岩所处的应力环境更复杂，巷道维护时比较困难。国内外众多学者对沿空留巷技术也进行了大量的研究，提出“加强支护”和“开采方法避压”来提高沿空巷道的围岩强度，但目前还存在如巷道变形难以控制、充填工艺与工作面的快速推进不匹配等问题。因此，如何合理地设计巷旁和巷内支护形式及参数确保沿空留巷的稳定性是该项技术的难点。本文以1204下材料巷为研究对象，通过模拟分析得到沿空巷道上覆岩层的运动规律，并采用锚网索支护和注浆加固提高沿空巷道的围岩强度，保证巷道稳定性。

1工作面概况

中兴煤业1204下工作面位于一采区左翼，煤层底板标高+738—+792m，对应的地表标高+1190m—+1305m。回采工作面开采煤层为2#下，上距2#层3m左右，煤厚1.75-2.25m，倾角3°～18°，平均12°。

2沿空留巷围岩变形特征

2.1模拟方案

采用FLAC3D模拟上煤层回采后，本煤层一次回采巷旁充填、二次回采等过程中应力分布、位移变化等情况根据1204下工作材料巷面地质条件，建立380m×464m×45m的力学模型，顶底板岩性材料参数如表1所示，在模型表明施加5.5MPa垂直方向应力，侧压系数为1。

2.2模拟结果分析

2.2.1沿空留巷围岩变形特征

采用FLAC3D模拟得到前支承压力对1204下材料巷围岩稳定性的影响，如图1所示。

由图1可知，1204下工作面在Y=60m、采面前方支承压力峰值位于采面前方Y=73m处，在开采引起支承压力影响下，1204下材料巷周围应力明显增大，巷道顶板下沉（垂向位移）、两帮收敛量（水平位移）显著增加。

采用FLAC3D对回采面开采后采空区覆岩移动对1204下材料巷围岩稳定性进行分析，具体结果见图2。

由图2可知，1204下材料巷周圍应力不断增大，在距工作面100m左右应力稳定。采用的高水速凝材料作为充填材料，具有较快的增阻速度，在接顶情况较好的时候，充填体支撑强度可以迅速增大至10MPa左右，且当上方覆岩压力加大时，充填体在横向、竖向方向均会发生一定变形，产生卸压效果，充填体的支承压力始终保持在11MPa左右。巷道变形主要是顶底板移近量较大，主要原因是破碎顶板下沉较为严重，其中的底鼓量相对较少。

2.2.2二次采动期间沿空留巷围岩变形特征

沿空留巷主要为下区段工作面生产服务，所留设的巷道必须可以满足下区段工作面通风、生产需求。所以，所留巷道在下区段工作面回采时仍然要保证良好的稳定性。采用FLAC3D对下区段1204下工作面回采引起的支承压力分布及沿空留巷围岩应力、变形情况进行分析，具体结果见图3。

由图3知，1204下工作面回采后引起的采面支承压力峰值位于采面煤壁前方约14m处，应力峰值为原岩应力的3.1倍。充填体内部支承阻力最大，约为12MPa。在上区段回采工作面采动、本工作面采动压力的双重作用之下，沿空留巷巷道围岩破碎程度加剧，靠巷旁充填体一侧的顶板下沉量达到320mm，底鼓量达到260mm，巷旁高水材料充填体水平位移量约300mm，煤帮侧水平位移量约400mm，变形量增大。巷道周围出现大面积的拉剪破坏，应力向深部发生转移。

在1204下工作面支承压力峰值位置处于采面段沿空留巷巷道围岩破碎，特别是薄层顶板处，需要加强支护。同样，在工作面前方充填体的变形量也存在变化率由大到小的过程，特别是采面开采引起的支承压力之前变形量及变化率较小;但是在工作面后方，随着二次回采推进，距离工作面越远，变形量逐渐变大，直至完全破坏。

3沿空留巷围岩控制技术

3.1锚网索支护

1204下材料巷顶帮采用锚网索支护的方式，根据工作面地质条件和顶板完整性，分别确定回采巷道锚杆、锚网、锚索支护的参数，如表2所示。

为了提高锚杆支护后所形成承载结构的稳定性，需要在1204下材料巷锚杆之间采用钢筋梯子梁（Φ14mm圆钢焊制）连接，提高支护结构的强度。

3.2注浆加固

1204下材料巷采用注浆加固，提高煤柱稳定性。采用注浆锚杆施工，将注浆孔与锚杆合二为一。选用QB152型便携式注浆泵，注浆液采用高水速凝材料。

根据1204下材料巷围岩的性质，布置方式为“2-1”五花形，每个注浆循环施工3个注浆孔，具体注浆参数表3。

注浆开始时缓慢增加压力，正常注浆压力为0.5～1.0MPa，终压为2.0MPa。通过观测围岩位移确定最佳注浆时机。当巷帮水平位移量在28mm左右时，煤柱内塑形破坏区范围深度约为1.4m，为最佳注浆时机。此时注浆浆液有效扩散半径可以达到2.2m左右。

4支护效果检验

1204下材料巷采用锚网索支护和注浆后，对围岩变形进行监测，从而判定巷道支护效果。具体1204下材料巷顶板、巷帮位移量见图4。

由图4可知，1204下材料巷采用锚网索支护和注浆加固后，巷道围岩变形量得到有效的控制。在观测的120d时间范围内，1204下材料巷顶板、巷帮总的变形量分别为27mm、34mm，巷道围岩变形在安全范围内，表明采用的支护手段提升了巷道的承载能力及强度，为巷道的安全掘进提供了良好的条件。

5结论

以1204下材料巷为研究对象，采用FLAC3D模拟上煤层回采后，本煤层中一次回采巷旁充填、二次回采等过程中应力分布、位移变化等情况。在超前支承压力的影响下，1204下材料巷顶板和实体煤帮位移较大;随着采面的推进、巷旁支护体的构筑，采空区上覆岩层垮落下沉，距工作面后方100m以后，上覆岩层基本稳定。在邻近工作面回采期间，所留巷道受到邻近工作面超前支承压力的影响，沿空留巷圍岩破碎程度加剧，变形量增大，靠巷旁支护体一侧的顶板下沉量达到320mm，底鼓量达到260mm，巷旁充填体水平位移达到300mm，煤帮水平位移达400mm。

本文采用锚网索支护和注浆加固控制1204下材料巷围岩变形，分别设计了锚网索支护和注浆参数。通过设置监测点监测巷道围岩变形量验证支护效果，根据监测结果可知，支护后1204下材料巷围岩平均最大变形量为0.02m，保证了巷道使用安全。

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