近距离煤层采空区下沿空留巷围岩控制技术研究

赵金生

【摘 要】 文章针对近距离煤层采空区下沿空留巷顶板破碎、围岩支护困难的问题，通过对采空区下沿空留巷围岩应力分布状态和上位煤层开采对底板破坏深度的分析，提出采用高水巷旁充填的沿空留巷方式，实现了对沿空留巷围岩变形的有效控制，为工作面安全高效生产提供了保障。

【关键词】 近距离煤层;沿空留巷;高水材料;围岩控制

【中图分类号】 TD353 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）05-0017-02

沿空留巷技术作为一种无煤柱护巷技术，凭借高资源回收率、低巷道掘进率、缩短工作面搬家时间和可缓解采掘接替紧张等优势，在我国的应用日益广泛。近距离煤层是我国煤炭赋存的一种主要形式，近距离煤层下行开采时，由于煤层间距较小，受上位煤层的采动影响，下位煤层工作面采空区围岩极易发生较大变形，给沿空留巷围岩稳定性控制造成诸多困难。近距离煤层沿空留巷围岩变形日益成为相关学者专家关注的焦点。本文针对山西某矿5303轨道顺槽受上位煤层采动影响，顶板破碎、围岩支护困难的问题，通过对上位煤层采空区下沿空留巷围岩受力分析，提出采用高水沿空留巷方案，有效维护了5303轨道顺槽围岩稳定。

1工程概况

1.1煤岩层赋存情况

山西某矿4#和5#煤层平均间距为8.24m，为近距离煤层。其中4#煤层已开采完毕，目前主采5#煤层。其中，4#煤层平均埋深164m，均厚3.06m，平均倾角4°;5#煤层均厚2.64m，平均倾角4°。4#和5#煤层均采用全部垮落法管理顶板。4#和5#煤层及其顶底板情况如图1所示。

1.2工作面概况

5303工作面位于5#煤层三采区，北邻5301工作面采空区，南邻5305工作面（计划开采），西为三采区运输巷和回风巷，东为实体煤，5303工作面上方为4#煤层采空区。为了提高5303工作面煤炭回采率，缓解工作面采掘接替紧张的问题，决定将5301工作面胶带顺槽采用沿空留巷的方式在5303工作面回采时复用为5303轨道顺槽。5303轨道顺槽全长约624m，巷道为矩形断面（长×宽=4500mm×2200mm），巷道原支护方式为锚网锁支护。5303工作面布置示意图如图2所示。

2采空区下沿空留巷围岩状态分析

2.1采空区下垂直应力分析

近距离煤层下行开采时，上位煤层被开采完毕且围岩结构稳定后再对下位煤层进行开采。但是，上位煤层开采所形成的采空区内堆积有大量垮落矸石，上覆岩层重力直接作用在层间岩层上，为下位煤层顶底板稳定性和完整性造成不利影响。当采用内错式布置沿空留巷时，沿空巷道位于上位煤层采空区下方，将采空区和煤柱支承压力简化后，可得到采空区和煤柱应力分布状态，具体如图3所示。

由图3可知，在煤柱靠近采空区侧形成一定程度的应力集中，在煤柱远离采空区侧为原岩应力，而在上位煤层采空区下方垂直应力最小。因此，采用内错式布置沿空留巷，可将巷道布置在应力降低区内，有利于维护巷道稳定。

2.2上位煤层开采底板破坏深度分析

上位煤层的回采导致支承压力作用在一定深度范围内的底板岩体中，若支承压力不小于底板岩体强度时，会在底板岩体内形成塑性变形区。而若支承压力值达到岩体破坏强度时，塑性变形区便会形成一个整体破坏区，从而导致塑性破坏区内岩体向采空区侧凸起，此时底板岩体变为一个连续滑移面。根据滑移线场理论，可知上位煤层回采对底板的最大破坏深度hmax为：

hmax=e（1）

其中，M为采高，此处取3.06m;K为应力集中系数，取2.0;γ为上覆岩层平均容重，取20kN/m3;H为煤层采深，取164m;C为煤体内聚力，取0.6MPa;φ为煤体内摩擦角，取16°;φf为底板岩层内摩擦角，取35°。将上述参数带入式（1）可解得：hmax=3.58m。由于4#和5#煤层间夹有厚度为4.68m的砂质泥岩和3.56m的泥岩各一层。因此上位4#煤层回采后，5#煤层尚有一层完整的泥岩层。

3高水巷旁充填沿空留巷方案

3.1高水巷旁充填沿空留巷技术的确定

为了有效控制5303轨道顺槽围岩变形，综合考虑5303工作面实际工程地质条件，在巷道原有支护方案的基础上，提出采用高水巷旁充填沿空留巷方式。主要原因如下：

5303轨道顺槽埋深较浅，且位于4#煤层采空区下方卸压区，对充填体强度要求较低;

5303工作面直接顶为泥岩，强度较低，易发生垮落造成巷道维护困难，因此所用巷旁充填材料需具备较快的增阻速度，以便及时对顶板进行支护;

5303轨道顺槽存在长度较大、断面较小等运输困难，因此需要辅助运输量少、施工工艺简单的沿空留巷方式;

5303轨道顺槽位于4#煤层采空区下，而4#煤层采空区内极易形成大范围积气积水区域，采用高水材料进行巷旁充填可实现快速接顶，进而将采空区密闭起来，达到防止积气积水进入到轨道顺槽的目的。

3.2高水巷旁充填沿空留巷成型及加固

结合临近工作面施工经验，5303轨道顺槽沿空留巷巷旁充填体选用水灰比为1.5∶1的高水材料。这种水灰比的高水材料凝固后3d的强度达到8MPa，完全符合要求。另外，为了使高水充填材料浆液在充填时成型，采用“钢筋网+充填袋”成型的方法。如图4所示，钢筋网和对拉锚杆可有效约束充填体侧向变形，进一步加固充填体。对拉锚杆采用直径22mm的左旋螺纹钢，间排距为800mm×1000mm。

4工业性试验

为了掌握近距离煤层高水巷旁充填沿空留巷围岩变形情况，在5303轨道顺槽沿空留巷期间，采用十字布点法在留巷10m处布置首个测点，随后每50m布置一个测点，共布设10个测点，对5303轨道顺槽表面位移进行监测。监测结果表明：5303轨道顺槽实体煤侧顶板最大移近量为562mm，充填体侧顶板最大移近量为458mm，两帮最大移近量为203mm。由此可知，采用高水巷旁充填沿空留巷技术后，5303轨道顺槽表面位移量在允许范围内，满足工作面安全使用需求。

5结语

文章分析了近距离煤层下行开采时采空区下垂直应力分布状态和上位煤层开采对底板破坏深度。

结合5303工作面实际工程地质条件，提出采用高水巷旁充填沿空留巷技术，并制定了高水巷旁充填沿空留巷成型及加固方案。

现场实测结果表明：采用高水巷旁充填沿空留巷技术后，5303轨道顺槽实体煤侧顶板最大移近量为562mm，充填体侧顶板最大移近量为458mm，两帮最大移近量为203mm均在允许范围内，满足工作面安全使用需求。

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