高河煤矿E2311综放工作面沿空留巷围岩控制技术研究与应用

王焕斌

(山西高河能源有限公司，山西 长治 047100)

1 工程概况

山西潞安矿业(集团)有限责任公司高河煤矿E2311工作面位于东二盘区，工作面南、北均为未采区，东边为矿界，西边为+450 m水平北翼大巷，工作面切眼长度为320 m，设计长度走向为1 709 m。工作面所采为3号煤层，煤厚6.19～6.85 m，平均6.5 m，煤层中夹有一层泥岩，平均厚度0.20 m，煤层角为1～7°，平均3°，煤层顶板岩层为粉砂岩和细砂岩，底板岩层为粉砂岩和砂质泥岩，具体煤层顶底板岩层特征如表1所示。E2311工作面为东二盘区工作面，工作面南、北均为未采区，东边为矿界，西边为+450 m水平北翼大巷，工作面按三进一回+高抽巷布置，从南向北依次为回风巷、进风巷、高抽巷、胶带巷、辅运巷。E2311工作面采用综放开采，工作面采高3.5±0.2 m，放煤高度3.0 m，采放比1∶0.85，工作面回采期间采用沿空留巷技术，进风巷为沿空留设巷道，巷道宽度×高度=5 800 mm×4 100 mm，为保障综放工作面留巷作业的顺利进行，现对沿空留巷施工工艺及围岩控制技术进行分析。

表1 顶底板岩层特征

2 沿空留巷支护现状及施工工艺

2.1 留巷支护现状

E2311工作面进风巷原有支护采用锚网索+梯子梁，顶板锚杆采用D22 mm×2 400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶板布置8根，间排距为800 mm×900 mm，顶板锚索采用D18.96 mm×8 300 mm的低松弛钢绞线，锚索采用“四四”布置，间排距为1 400 mm×900 mm，巷帮锚杆采用D22 mm×2 400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，帮部每排布置5根锚杆，间排距为900 mm×900 mm，锚杆的锚固形式均为端头锚固；另外在留巷煤柱帮打设补强锚索，锚索规格为D18.96 mm×5 300 mm的低松弛钢绞线，煤柱帮补强锚索采用“二二”布置，间排距为1 400 mm×800 mm，巷道顶板及两帮锚杆均采用钢筋梯子梁进行连接，钢筋梯子梁采用D14 mm的圆钢加工制作，巷道表面采用10号铅丝编制的金属网进行护表，网孔规格为50 mm×50 mm。

沿空留巷时巷旁充填体采用柔模混凝土，混凝土强度等级为C30，充填体宽度为1.5 m，充填体内部采用D22 mm×1 700 mm的对拉锚杆进行加强支护，间排距为800 mm×900 mm，留巷作业时，在靠近采空区一侧350 mm范围内架设木柱，巷道底板打设厚度为350 mm的C30混凝土，沿空留巷后巷道断面为净宽×净高=4 000 mm×3 850 mm，具体E2311进风巷道沿空留巷期间支护方案如图1所示。

图1 E2311进风巷道留巷支护断面(mm)

2.2 留巷施工工艺

1) 巷旁充填材料：沿空留巷作业时，充填材料为C30强度等级的混凝土，C30混凝土配合比如表2所示。柔模混凝土具有自流平配比，该混凝土能够实现自密实，不易产生离析泌水现象[1-3]。

表2 C30泵注混凝土初步配合比kg

2) 柔模充填模板：该次沿空留巷采用柔性充填模板，模板由阻燃性矿用土工布制作而成，柔性充填模板材料经钢筋骨架串连而成，形成充填体边界，可利用拆除的单体柱和模板作为临时支承，构建混凝土巷旁充填体的浇筑空间，柔性模板能够将多余的水分排出，有效提高充填体的强度，利于围岩控制。柔模袋规格为2 000 mm×1 500 mm×4 200 mm、3 000 mm×1 500 mm×4 200 mm、4 000 mm×1 500 mm×4 200 mm。

3) 工艺流程：该次沿空留巷巷旁充填体浇筑采用机械化施工，地面建立混料系统、刮板上料系统和泵送混凝土组，浇筑所用砂子、石子、水泥等在地面混合后，通过无轨胶轮车运至井下料场等待巷旁充填作业，井下充填泵组和料场最远应布置在工作面前方250 m范围内[4]，当充填泵组靠近超前支护段时，应进行前移。工作面回采推进后，进行沿空留巷的准备和超前支护工作，随后进行巷旁充填体的构筑作业，巷旁充填工艺流程可大致划分为四个阶段，分别为移架前、移架后、挂模板和巷旁充填，具体该次巷旁充填体施工工艺流程如图2所示。

图2 巷旁充填体施工工艺流程

2.3 支护效果分析

E2311进风巷道沿空留巷期间，在留巷内设置围岩变形观测点，采用十字布点法进行留巷支护效果的分析，根据观测结果能够得出顶底板及两帮移近量、变形速率曲线如图3所示。

分析图3可知，进风巷道在原有支护方案下，留巷期间围岩变形严重，其中巷道顶底板移近量达到1 000 mm，煤柱与巷旁充填体间的相对移近量达到940 mm，在两帮移近量中，煤柱帮的变形量占到90%；另外，在观测期结束后，巷道围岩仍在持续变形，围岩持续变形后无法满足后续工作面的回采使用要求，即需进一步采取有效的补强支护手段，以保障留巷围岩的稳定。

图3 沿空留巷期间围岩变形曲线

3 留巷围岩控制技术优化

3.1 支护方案优化

根据E2311进风巷在现有支护方案下的围岩变形特征可知，巷道留巷期间围岩变形严重，稳定性差。基于围岩变形的分析结果可知，留巷煤帮变形量较大，产生这种现象的主要原因为留巷期间，基本顶断裂后，回转下沉力大幅作用到煤柱帮上，不断压缩煤帮煤体，据此现拟采取煤帮注浆加固的方式，以提高煤帮承载体的承载能力，抵抗基本顶的回转下沉，同时增强二次采动影响阶段煤帮抵抗上覆岩层荷载的能力。具体煤帮注浆方案如下：

1) 注浆孔深度：根据E2311工作面特征及众多沿空留巷工程实践可知[5-6]，工作面基本顶侧向断裂位置在4.76～4.81 m，该区域以外的煤体为主要的承载结构，注浆孔的深度应大于该深度，据此确定注浆孔深入煤体的垂直深度为5 m。

2) 注浆材料：该次注浆采用水泥浆，水泥采用425号普通硅酸盐水泥，水灰比为0.5∶1。

3) 注浆孔间排距：根据现场试验可知，水泥浆在煤帮的扩散半径为1.5～3.2 m，浆液的扩散半径变化较大，主要受到煤体内节理裂隙发育程度的影响，为保障注浆效果，确定注浆孔排距为2 m，巷道断面内每排布置2个注浆钻孔，靠近底板1 200 mm布置1排注浆孔，注浆孔参数为D42 mm×5 000 mm，注浆孔垂直煤帮布置，第二排注浆孔与底板间距2 400 mm，钻孔参数为D42 mm×5 600 mm，与巷帮呈30°布置，具体注浆钻孔布置形式，如图4所示。

4) 注浆压力：该次注浆终孔压力为3 MPa。

图4 注浆钻孔布置示意(mm)

3.2 效果分析

E2311进风巷道采用煤帮注浆补强加固后，在进风巷道沿空留巷期间，持续进行留巷围岩变形量的观测分析，根据观测结果能够绘制出留巷期间围岩变形情况，如图5所示。

图5 二次采动期间留巷围岩变形曲线

分析图5可知，E2311进风巷道留巷后，在留巷期间，巷道顶板下沉量的最大值为179 mm，底板鼓起量的最大值为241 mm，实体煤帮变形量的最大值为219 mm，巷旁充填体变形量的最大值为7 mm，留巷在滞后工作面100 m后围岩变形速率便大幅下降，逐渐趋于稳定。综合上述分析可知，留巷采用煤帮注浆加固的补强方案后，有效解决了围岩变形量大的问题，保障了沿空留巷围岩的稳定。

4 结 语

根据E2311工作面沿空留巷的具体特征，通过分析留巷现有支护及施工工艺，得出留巷在现有支护下围岩变形量大，其中煤帮变形严重，基于留巷变形特征，设计在煤帮采用注浆加固的补强支护，根据煤帮注浆方案实施后，留巷期间围岩变形分析得出，补强支护实施后，围岩变形得到有效控制，保障了沿空巷道围岩的稳定。