沿空留巷工作面充填支护技术应用实践

王剑锋

（晋煤集团宏圣建筑工程有限公司， 山西 晋城 048006）

1 工程概况

天安公司朝阳煤业4311 工作面位于四盘区，工作面标高588～616 m。主要开采3 号煤层，煤层厚度6.3 m，煤层倾角0°～7°，平均3°，硬度2～4，煤层稳定，煤层黑色，条带状结构，似金属光泽，煤种有薄层夹矸。顶底板岩性结构见表1 所示。

表1 顶底板岩性结构表

工作面采用走向长壁、后退式综合机械化放顶煤，一次采全高顶板全部垮落采煤法。机采高度3 m，放煤高度3.3 m，工作面布置如图1。

图1 4311 综放工作面巷道布置平面图

2 存在问题

通过对工程特点及工程需求的综合分析发现，工程实施的难点主要体现在以下几个方面：

1）巷道断面大。巷道尺寸5 m×3.2 m，预计留巷宽度2.5～3.0 m，高度3.2 m，大断面巷道受采动影响变形量大，对充填体和巷内支护要求更高[1]；

2）工作面推进速度快。工作面日推进6 m，4311工作面周期垮落步距约25～30 m，要求充填工艺能够匹配工作面推进速度，充填体在4～5 d 左右要达到设计强度；

3）直接顶岩性脆弱。直接顶为泥岩，顶板控制难度大，易发生碎胀变形，与充填体结合处容易出现瓦斯泄漏；

4）模板支设困难。采出高度大，支架后方顶板垮落高度大，需要采取有效措施防止采空区矸石滚入巷内，也需要采取措施设置强力模板；

5）缺乏施工经验。沿空留巷在朝阳煤业尚属首次，无论是技术人员还是施工队伍，都缺乏成熟完整的经验，需要在实践中不断摸索、总结、完善该项技术，增加了施工的难度和成本。

3 充填方案

3.1 充填方式

根据现场实际情况，确定在4311 综放工作面采用巷内充填的方式进行沿空留巷布置，充填体布置方式如图2 所示。

图2 巷内充填方式示意图

通过一系列理论分析及数值模拟计算，综合分析确定充填体设计宽度为2.0 m，对应的充填体支护阻力为7.3 MPa，同时综合充填支护材料力学特性及现场施工经济可行性，确定在现场沿空留巷施工过程中采用1.5∶1 的水灰质量比进行充填[2]。

3.2 充填模板支设

1）采空区侧模板。挡矸金属网+钢丝绳：在巷内架和端头架之间挂菱形金属网，与顶网接合，利用原锚索托盘固定网片上部，紧贴金属网，采用Φ20 mm钢丝绳上下两端固定于采空区内，与竖直方向呈15°夹角；在巷内架和端头架之间打设木点柱，间隔0.5 m，见图3 所示。

图3 木点柱支设

在工作面清除浮煤，紧靠木点柱打横向木板，钉子钉牢，木板间距0.2 m，再铺塑料网片。

2）吊挂充填柔模袋。高水材料具备速凝早强特性，采用柔模充填袋则可大大减少支模工程量，对充填袋的要求为：其材质应具有足够的强度，有抗静电、阻燃的性能，以符合煤矿安全规程的要求，加工接缝要结实牢靠，形状满足每次充填及吊挂的要求，如图4 所示。

图4 充填袋结构图（未标单位：mm）

4 充填系统设计

充填系统可以实现远距离输送，充填站放在43111 巷工作面前方约200 m 处。工作面长度210 m，则需铺设两趟420 m 管路，再加上10 m 混合管，共需管路430×2=860 m。整个充填系统如图5。

5 现场实施

朝阳煤业4311 综放工作面从2018 年7 月份开始进行沿空留巷项目施工到2019 年9 月份4311 综放工作面末采结束，共施工沿空留巷1 173 m。根据充填体宽度、强度及补强方式，将现场充填留巷施工分为三个阶段：

图5 充填管路布置示意图

1）第一阶段为2018 年8 月9 日—2018 年8 月31日，现场留巷过程中充填体宽度为1.5 m，即27#—69#充填体宽度为1.5 m，支护方式也较为简单，其中30#—55#充填体无锚杆、钢筋网、木板，55#—69#充填体加有钢筋网和木板，但没有施加锚杆；

2）第二阶段为2018 年9 月2 日—2018 年11月12 日，将充填体宽度调大至1.8 m，71#～157#充填体宽度为1.8 m，补强支护方案逐步成熟，充填体两帮施加有钢筋网和木板，充填体宽度方向上布置有对穿锚杆，锚杆间排距均为1.0 m，并在充填体两帮布置间距2.5 m 的钢筋梯梁；

3）第三阶段为2018 年11 月14 日之后，将充填体宽度调整至2.0 m，补强支护方式和上一阶段相同，充填体两帮施加有钢筋网和木板，充填体宽度方向上布置有对穿锚杆，锚杆间排距均为1.0 m，并在充填体两帮布置间距2.5 m 的钢筋梯梁[3]。

现场留巷充填过程中采用1.5∶1 的水灰质量比，截止2019 年9 月6 日，共充填394 个模袋，共使用充填材料3 078 t，充填巷道长度1 173 m，平均每米巷道充填2.90 t。充填过程平均注浆压力7 MPa，每日两个充填袋净充填时间3 h 左右，充填体宽度平均2.0 m，高度3.2 m，留巷宽度2.5～3.0 m，高度3.2 m，留巷效果如图6 所示。

图6 留巷效果图

由图6 可以看出，留巷段煤壁平直，无明显片帮现象；正常充填留设段充填体大部分鼓出变化量都不大，在100～200 mm 之间，且属于“渐变”，逐渐鼓出，并没有发生整体突然碎裂，完全丧失承载能力的现象，而破碎鼓出多发生在充填体表面300 mm 范围，内部仍完整。

6 结论

综上可知，现场采用宽度2.0 m、支护阻力7.3 MPa 的充填体并按照1.5:1 的水灰比进行充填，共充填394 个模袋，使用充填材料3 078 t，充填巷道长度1 173 m，现场留巷段煤壁平直，无明显片帮现象；正常充填留设段充填体鼓出变化量在100～200 mm 之间，巷道顶底板和两帮形变均符合设计要求，说明本次充填支护能够有效控制大断面留巷引起的围岩变形。