新元矿3107工作面充填留巷支护技术探讨

王 云

（山西新元煤炭有限责任公司，山西 寿阳 045400）

1 工程概况

山西阳煤集团新元矿3107工作面距离地表470 m，工作面开采3#煤层，煤层均厚为3 m。煤层直接顶为砂质泥岩，均厚为8.0 m，基本顶岩层为中砂岩，均厚为5.1 m；直接底岩层为中细砂岩，均厚为4.0 m；基本底岩层为砂质泥岩，均厚为10.2 m。3107工作面采用综采工艺，在工作面回采期间进行沿空留巷作业，该巷道为辅助进风巷，留巷后用作3108工作面的运输巷使用，具体布置方式见图1。

图1 3107工作面沿空留巷

为确定沿空留巷合理的支护方式、参数，本文拟对留巷巷道支护有关技术进行详细探讨。

2 数值模拟分析

沿空留巷时，充填体必须有充足的支撑强度和一定可缩量。为合理设计3107工作面沿空留巷作业时巷旁充填体的合理宽度，采用FLAC3D数值模拟软件进行模拟分析，数值模型尺寸为280 m×20 m×31.81 m，将X轴定为倾向，Y轴为走向，Z轴为竖向，数值模拟分为以下几步进行：①模型建立完成后运算至初始地应力平衡； ②初始地应力平衡后，进行3107工作面回采巷道的开挖与支护作业，运算至平衡状态； ③进行3213工作面的回采作业和巷旁充填体的浇筑作业，分别设置充填体宽度为0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m和2 m，充填体采用高水材料，充填材料水灰比为1.5:1，单轴抗压强度为10.36 MPa。

基于模拟结果，得出不同充填体宽度下留巷围岩塑性区发育情况见图2。

从图2可知，不同充填体宽度下留巷围岩塑性区的分布特征基本不出现变化，充填体均表现为塑性破坏。出现这种现象的主要原因为模拟中进行巷旁充填体构筑时，未将柔模混凝土的可缩性能加进充填体的参数中，而在工程实践中，充填体由于具有一定的可缩性能，能够适应破断岩层的回转下沉。另外充填体变形量随着其宽度的增大而逐渐减小； 在充填体宽度为0.8～1.2 m时变形较为严重，无法保障充填体自身的稳定；当充填体宽度增大为1.5 m时，此时充填体的变形量大大减小，在回采动压影响下，巷旁充填体仅出现局部较小范围的向采空区内侧挤出，并无整体弯曲现象的出现；当充填体宽度增大为2.0 m时，此时充填体不再出现整体弯曲现象，变形量也大大减小。基于上述分析，为保障巷道围岩稳定的原则，确定巷旁充填体的宽度为2.0 m。

图2 不同充填体下围岩塑性区的发育特征分布

3 留巷支护技术

3107工作面留巷支护技术主要包括基本支护、充填体支护及临时加强三种。

1）基本支护。基本支护采用锚网索支护，顶板及两帮锚杆均采用Φ20 mm×2 400 mm的螺纹钢锚杆，排距为900 mm，顶板锚杆和两帮锚杆的间距分别为800 mm和900 mm； 顶板锚索采用Φ21.6 mm×10 300 mm的1×7股钢绞线，间排距为1 600 mm×1 800 mm。考虑到沿空留巷下巷道围岩压力较大，故在进行留巷作业前，在巷道顶板和煤柱帮进行补强支护。顶板补强锚索尺寸为Φ21.6 mm×8 300 mm的1×7股钢绞线，间排距为1 750 mm×1 800 mm，锚索预紧力为250 kN； 顶板锚索补设时每2排间布置3根补强锚索；煤柱帮补强锚索尺寸为Φ17.8 mm×4 200 mm，间排距1 400 mm×1 800 mm，帮锚索采用“202”布置。另外煤柱帮在距离底板300 mm的位置处打设一根与帮部同规格的补强锚杆，基本支护见图3。

图3 巷道支护断面

2）充填体支护。基于上述数值模拟分析，确定巷旁充填体采用水灰比为1.5:1的高水充填材料，充填体宽度为2.0 m，充填体内布置Φ22 mm×2 400 mm的对拉螺杆，垂直方向间距与水平方向的间距分别为750 mm和800 mm，对拉螺杆间采用钢筋梯子梁进行连接，表面铺设钢筋网，支护布置见图4。

图4 充填体支护

3）临时加强支护。基于沿空留巷的试验研究与工程实践结果可知[1-2]，留巷一次采动超前滞后的影响距离为80 m，二次采动的超前影响距离约为35 m；据此在一次回采期间分别在超前工作面30 m和滞后工作面80 m范围内采用单体支柱进行补强支护，支护方式为一梁三柱，排距为1 000 mm；在下个工作面二次回采作业时，在工作面前方35 m的范围内进行加强支护，支护方式同上，具体临时加强支护方式见图5。

图5 临时加强支护

4 支护效果分析

对3107工作面留巷回采期间进行顶底板和两帮移近量观测，并对充填体的变形量进行观测。在留巷回采工作面的位置处布置监测断面，持续监测至工作面回采推过监测断面170 m，根据监测结果绘制曲线见图6。

从图6（a）分析可知，随着工作面回采作业的进行，留巷围岩的变形主要出现在滞后工作面0～80 m的范围内，在该阶段留巷顶底板移近速率最大值为22 mm/d，两帮移近速率最大值为12 mm/d；在监测断面滞后回采工作面的距离大于80 m后，此时顶底板及两帮移近量基本达到稳定状态，变形速率均降低至0.3 mm/d以下，围岩变形达到稳定状态。

从图6（b）分析可知，充填体的变形主要发生在滞后工作面10～60 m的范围内，当充填体滞后工作面60 m后，其变形速率会大幅降低，最终充填体的横向和纵向变形量的最大值分别为165 mm和105 mm。

图6 巷道围岩及充填体变形曲线

基于上述分析可知，留巷巷道围岩变形量在可控范围内，能满足巷道的二次使用要求。

5 结语

基于3107工作面的地质条件，采用数值模拟法对充填体宽度进行了详细分析，合理宽度选择2.0 m为宜；巷旁充填体拟采用高水充填材料；对留巷支护方案进行专门设计； 根据现场矿压监测数据可知，围岩变形量在可控范围内，能满足巷道的二次使用要求。