古城煤矿N1305工作面沿空留巷变形规律研究

＊李永盛 高放 杨彬

（1.山西潞安矿业（集团）有限责任公司古城煤矿 山西 046000 2.太原科技大学 山西 030024）

引言

沿空留巷作为一种无煤柱护巷技术是在现有煤炭资源开展过程中提高开采效率和综采率的一种先进技术[1]。沿空留巷技术在无煤柱开采中具有极高的应用价值，煤井回采率提高10%，巷道掘进过程中巷道塌落维修费用降低30%～40%[2]。现有研究较多的是对充填体材料特性进行分析，缺少布置充填体后巷道整体稳定性参数及演变规律研究[3]。沿空留巷断面变形率是衡量沿空留巷变形幅度及其是否破坏的重要指标，并且是反映充填体强度的重要参数指标[4]。

本研究提出了沿空留巷横向变形与纵向变形的分析方法，目标是探究沿空留巷围岩活动下断面变形规律和相互作用机理，以及巷旁充填体在随着煤层工作面前进开采过程中的承载力变化情况。多角度评析沿空留巷效果，为N1305工作面沿空留巷设计提供技术支撑。

1.沿空留巷技术参数

(1)N1305胶带顺槽地质与生产技术条件

工作面地面位于山西省长治市屯留县境内。地表相对平坦，主要为耕地。N1305工作面为北一盘区备采工作面，西接N1303工作面（已回采），东接N1306工作面（设计工作面）。北面为实体煤，南面接东翼辅运大巷。地面标高为+915～+936m。工作面底板最高点标高+440.2m，最低点标高为+358.7m，最高点和最低点高差为81.5m。煤层埋藏深度：503.8～ 581.4m。N1305工作面上方为耕地，回采3#煤层。

N1305工作面采用走向长壁、后退式低位放顶煤一次采全高全部垮落式综合机械化采煤法[5]。N1305胶带顺槽沿煤层顶板掘进，采用矩形断面。支护形式为锚网索+梯子梁支护形式。N1305工作面胶带顺槽为N1305工作面主运输巷，主要负责工作面的煤炭运输，全长2329m，与N1306回风顺槽之间净煤柱为50m。沿空留巷为矩形断面，净宽5200mm，净高3600mm，净断面18.72m2；沿煤层顶板掘进，在距切眼70m处落至底板掘进。

(2)煤层及顶底板情况

本研究3#煤层顶、底板岩石物理力学性质试验成果见表1。随着煤层开采，顶、底板岩石活动情况为：最初阶段，顶板以旋转下沉为主，充填体的效用主要是平衡直接顶及悬臂岩层的重量；当工作面继续前移，直接顶及一定范围内的老顶开始垮塌并碎胀，冒落矸石与老顶间空隙减小，老顶岩梁“大结构”逐渐形成，充填体形成支护；最后顶板岩层活动进入最后时段，受上位岩层分次垮塌与失稳影响，充填支护结构体的工作阻力会呈波动性，并逐渐趋于稳定。该过程中沿空留巷断面载荷呈波动性变化，造成较大的变形直至进入稳定状态。

表1 煤层及顶底板情况

2.沿空留巷观测实验方案

(1)观测内容及观测方法

巷道表面位移的观测采用单十字布线法，即在巷道顶底板及两帮中部布置基点，通过量测基点间的距离来确定巷道表面位移。巷道表面位移观测布置如图1所示。充填体承载采用钢板加压力计的方法观测充填体承载情况，在充填体中部位置内置双层钢板，钢板间加装最大量程为60MPa的压力传感器。

图1 巷道表面位移观测基点布置示意图

通过该观测可以得知巷道表面位移的各个细节，图1中各线段代表的意义如下：AB—两帮移近量；AO—煤帮内移量；BO—充填体内移量；CD—顶底板移近量；CO—顶板下沉量；DO—底板鼓起量。

(2)观测站点位布置

本试验共布置4组矿压观测站，从N1305工作面推进长度40m开始布设。其测站布置如图2所示。

图2 四组测站点位布置示意图

每个测站设置3组巷道表面位移测点和1组充填体承载测点。测站1的3组巷道表面位移测点分别布置在16#、17#、18#充填包处，即留巷里程37.2m、39.6m、42m断面处。测站2的3组巷道表面位移测点分别布置在39#、40#、41#充填包上，即92.8m、95.2m、97.6m断面处。测站3的3组巷道表面位移测点分别布置在58#、59#、60#充填包上，即138m，140.4m，142.8m断面处，1组充填体承载测点布置在61#充填包，即144.4m断面处。测站4的3组巷道表面位移测点分别布置在83#、84#、85#充填包上，即196.6m、199m、201.4m断面处，1组充填体承载测点布置在86#充填包，即203m断面处。

测站点的设置在充填体模板拆除后立即进行，每天中午12时对测站点位十字布线测量的长度数据和充填体内压力传感器压力数据进行1次采集记录，数据采集持续到前进的开采工作面距离测站4大于150m后停止采集。

3.沿空留巷表面变形结果分析

(1)巷道表面位移分析

通过对各观测点巷道变形数据进行统计，得到顶底板最大移近量以及两帮最大移近量，并对平均移近速率和断面收缩率进行计算。根据实验数据统计计算，沿空留巷顶底板最大移近量在239～202mm之间，平均移近量222mm，平均移近速率6.81mm/d；两帮最大移近量在255～167mm之间，平均移近量212mm，平均移近速率6.44mm/d。巷道断面收缩率在14.49%～11.78%之间，平均断面收缩率13.38%。

为了得到所留巷道围岩变形的总体规律，将每个测站点同一天的巷道顶底板移近量及两帮移近量数据做加权平均处理，得到各个测站的巷道顶底板移近量及两帮移近量曲线；然后对所得到的顶底板移近量及两帮移近量分别进行多项式拟合，得到其变化趋势线；最后将4条顶底板移近量曲线的趋势线多项式求和，然后求平均值，得到所留巷道顶底板移近量总体变化曲线，并用类似方法得到所留巷道两帮移近量总体变化曲线（因统计数据发现测站一、二与测站三、四处巷道两帮移近量相差较大，故分别绘制了曲线）。最终得到的沿空留巷围岩变形总体曲线如图3，并依此做出巷道围岩变形速度总体曲线（见图4）。

图3 沿空留巷围岩变形量与距工作面距离关系曲线

图4 沿空留巷围岩变形速度与距工作面距离关系曲线

在工作面后方15m范围内由于充填体采空区侧支护的单体支柱没有撤掉，所以顶底板和两帮移近量增幅较小。巷道围岩变形基本都是从工作面后方15.5m以上进行观测的，故15m以前的巷道围岩变形不在曲线范围内。从图3和图4可以看出：①在工作面后方15～40m范围内，巷道围岩变形最剧烈，变形速度最快；②在工作面后方40～60m范围内，巷道围岩变形仍旧较剧烈，但变形速度逐渐放缓；③在工作面后方60～95m范围内，巷道围岩变形速度继续放缓，并趋于稳定；④在工作面后方95m以后，围岩变形速度几乎为0，围岩活动基本稳定。

(2)巷道充填体承载分析

以观测站4为例对充填体承载进行了有效观测。充填体承载曲线如图5所示。

图5 充填体承载压力与工作面距离关系曲线图

从图5可以看出，在工作面后方9m左右处，充填体刚刚安设完毕，充填体承受的载荷为0；之后的7～8m范围内由于充填体采空区侧支护的单体支柱没有撤掉，充填体承受的载荷很小；当充填体采空区侧的支护设备撤掉以后，充填体载荷开始缓慢增加；工作面后方25～40m内充填体载荷急剧增大，40m左右处达到峰值5.8MPa；在40～60m内充填体载荷逐渐降低，60m以后充填体载荷稳定，并最终稳定在约5.2MPa左右。

4.结论与讨论

对沿空留巷围岩活动及充填体承载观测所得数据进行分析，可以得到沿空留巷围岩活动特点与充填体承载随距工作面距离变化的规律：

各测点处的巷道顶底板移近量在202～239mm，平均为222m，数值相差较小，巷道两帮移近量在167～ 255mm，平均为212mm，整个巷道的顶底板移近量和巷道两帮移近量较为均衡。所留巷道围岩表面变形较小，留巷效果比较理想。

在工作面后方15～95m范围内，沿空留巷围岩变形由剧烈到平缓，充填体变形速度由快到慢；在工作面后方95m后围岩活动基本稳定，充填体变形速度几乎为0。

充填体距工作面10～40m左右载荷呈拟二次函数急剧增大；40～60m内充填体载荷逐渐降低，60m以后充填体载荷趋向稳定。

本研究可完善N1305工作面围岩条件下沿空留巷断面变形数据，为同类条件下留巷提供技术支撑，并且充填体承载压力变形数据为充填材料选用提供承载数据参考。