沿空留巷巷旁充填体宽度与支护技术研究

刘鹏飞

（神东煤炭集团有限责任公司锦界煤矿，陕西 神木 719319）

沿空留巷是指工作面回采时，在沿采空区边缘维护原回采巷道，不留设保护煤柱，将上一区段工作面上顺槽维护保留，作为下一区段工作面回采的下顺槽[1]。沿空留巷可以最大限度地回收资源，避免煤体损失。但是沿空留巷巷道受上覆不均匀载荷影响，巷道围岩易发生变形破坏，顶底板变形值相对较大，需合理的设计参数与支护方案来防止巷道围岩变形破坏。本文以神东煤炭集团锦界煤矿31115 综采工作面沿空留巷为工程背景，通过分析沿空留巷失稳机理，对沿空留巷的设计、支护参数进行优化。

1 工程背景

31115 工作面回采时，在运顺正帮侧浇筑柔模砼墙进行沿空留巷，设计留巷宽4.2 m，高2.85 m，长5 183.2 m，31115 运顺留巷作为31116 回顺使用。煤层平均厚度3.28 m，厚度稳定，普氏硬度系数1～3。31115 工作面局部存在伪顶，岩性为泥岩，遇水易泥化，抗压强度约27.02 MPa，坚固性较低，易冒落，属不坚硬类不稳定型；31115 工作面直接顶岩层属于粉砂岩，平均饱和抗压强度41.6 MPa；基本顶岩性为中粒砂岩，平均饱和抗压强度40.9 MPa；直接底为砂质泥岩，局部为粉砂岩，平均饱和抗压强度为37.3～41.2 MPa。沿空留巷巷道顶底板物理力学参数见表1。

31115 巷道顶板岩层是粉砂岩，层理为近水平及波状，底板岩层由砂质泥岩组成，软化性较强，煤层坚固性系数较低。受沿空留巷特殊结构影响，巷道靠近采空区一侧有可能产生顶板剧烈下沉、底鼓、片帮等矿压显现现象，因此揭示巷道失稳破坏原因显得尤为重要。

表1 巷道顶底板物理力学参数

2 沿空留巷巷道失稳原因分析

31115 工作面沿空留巷巷道除受到31115 工作面滞后及侧向支承压力影响，还要受到31116 工作面回采动压的剧烈影响，巷道支护十分困难。31115工作面沿空留巷示意图如图1。

图1 沿空留巷示意图

由图1 可知，31115 工作面回采后，31115 工作面采空区中粒砂岩基本顶无法及时断裂垮落，形成悬臂梁结构。31115 工作面采空区中粒砂岩基本顶的垂直应力转移到31115 工作面沿空留巷巷道的顶板，31115 工作面沿空留巷巷道围岩受应力集中影响，变形持续增加直至破坏。而后，巷道上部直接顶与基本顶继续破坏，在31115 工作面沿空留巷上部及靠近采空区部分形成A、B、C 三个块体，基本顶及上覆岩层载荷作用到沿空留巷上[2]。随着31115 工作面回采，顶板岩层的挠曲运动会造成支承压力的重新分布，31115 工作面沿空留巷巷道围岩承担基本顶及其上覆岩层的载荷，为了将沿空留巷巷道围岩变形控制在安全范围内，需要对沿空留巷充填体宽度和巷道补强支护参数进一步展开研究。

3 沿空留巷充填体宽度确定

当巷道高度一定时，巷道宽高比与充填体宽高比对沿空留巷巷道的稳定性和沿空留巷成本有一定影响[3]。在最大程度上消除留巷额外成本并保证留巷技术可行性的前提下，提出最优宽高比，是指岩层运动前期能够支撑住顶板、后期能够适应顶板变形，并且与顶底板岩层形成协调承载的最优宽高比值。31115 沿空留巷巷道宽高比与充填体宽高比计算如式（1）、（2）。

式中：b 为巷道宽度，4.2 m；h 为巷道高度，2.85 m；a 为充填宽度，1 m；Rm为巷道顶底板强度的最小值，3.7×107Pa；σ1为充填体第一主应力，2.6×103Pa；m0为采高，3.2 m；h1为直接顶厚度，取值3.2 m；h2为直接底厚度，1.5 m；E 为充填体弹性模量，3.25×109Pa；E1为直接顶弹性模量，9.5×109Pa；E2为直接底弹性模量，4.5×109Pa；δ为空顶距，0.3 m；γ 直接顶岩层容重，28 kN/m3；l 为周期来压步距，12 m；K 为直接顶的碎胀系数，1.2；x0为基本顶断裂基点至沿空留巷煤帮的水平距离，1 m；η 为常数，4。

代入计算得巷道宽度4.2 m 在安全合理的范围内，充填体宽度应在0.83～1.67 m 之间，选取1 m。

4 沿空留巷补强支护方案设计

（1）被动支护方案

对于31115 工作面沿空留巷巷道，在31115 工作面回采以后，原巷道一侧煤帮不复存在，巷道结构发生破坏，围岩整体承受更大应力作用，更易发生破坏。而沿空留巷的充填体设置初期强度较低，充填体到达较高的支护强度需要一定时间[4]。在充填体形成较高的支护效果前，必须给巷道提供高阻力的被动支护，抑制顶板向下移进，并为充填体形成提供安全稳定的空间。故选取单体支柱配顶梁的加强支护对巷道进行支护。

（2）主动支护方案

31115 工作面沿空留巷受采空区传递的不均载荷影响，巷道靠近采空区一侧围岩裂隙发育严重，巷道整体顶底板易产生大变形破坏，塑性区范围较大。为高效安全遏制巷道两帮与顶底板变形，选取的支护方式需控制围岩变形直至变形趋于稳定，选择锚索补强支护满足围岩变形控制要求。

锚索锚固长度La计算如式（3）。

式中：k 为安全系数，2；d1为锚索钢绞线直径，21.6 mm；fs为钢绞线抗拉强度，1860 MPa；fc为锚索与锚固剂的设计黏结强度，10 MPa。

代入计算得La应大于2 008.8 mm，所以选用La=2.1 m。

锚索长度L 计算如式（4）。

式中：L 为锚索总长度，m；La为锚索深入到较稳定岩层的锚固长度，2.1 m；Lb为需要悬吊的不稳定的岩层厚度，（从安全方面考虑取岩层最小与最大厚度的均值）4 m；Lc为锚索外露长度，0.25 m。

代入计算得L=2.1+4+0.25=6.35 m，选用L=6.5 m。

31115 工作面沿空留巷巷道支护断面图如图2。

图2 31115 工作面沿空留巷巷道支护断面图

5 现场实测

为了检验巷旁充填体宽度与巷道补强支护方案的效果，从距31115 工作面开切眼40 m 到520 m段布置四组测站，测站间距分别为90 m、150 m 和240 m。在31115 工作面回采期间，对31115 工作面沿空留巷巷道围岩位移进行监测，监测数据见表2。

表2 31115 工作面沿空留巷巷道位移监测表

由表2 可知，巷道两帮最大移近量为148 mm，巷道煤体侧顶底最大移近量为191 mm，巷旁支护侧顶底最大移近量为199 mm。沿空留巷巷道顶底板与两帮的变形量控制在合理、安全的范围内，保证31116 工作面安全开采，增加煤柱回收率，证明了31115 工作面沿空留巷充填体宽度与巷道补强支护的合理性、有效性。

6 结论

（1）31115 工作面沿空留巷巷道受自身结构的影响，受采空区产生的应力集中和基本顶及其上覆岩层载荷共同作用，巷道两帮与顶底板易产生较大变形。

（2）合理的沿空留巷巷旁充填体宽度、巷道补强支护参数可以有效控制巷道围岩变形。

（3）现场实测可知：顶底板变形值与两帮变形值控制在合理、安全的范围内，本设计、支护方案保证回采的高效安全进行。