20108 运输巷柔模沿空留巷技术研究及应用

任立峰

（山西乡宁焦煤集团申南凹焦煤有限公司，山西 临汾 042105）

沿空留巷技术是提高煤炭资源回收率、缓解采掘接替紧张的有效措施[1-4]，通过在采空区边缘充填膏体材料、高水材料或超高水材料等浆体结合合理的支护手段，实现少掘巷道及取消区段煤柱的目的。本文以申南凹煤矿为工程背景，对柔模沿空留巷技术进行分析研究。

1 工程概况

申南凹煤矿目前主采2#煤层平均厚度4.2 m，结构较简单，含1～3 层夹矸。2#煤层伪顶为0.95 m的泥岩，直接顶为3.5 m 的粉砂岩，基本顶为4.05 m 的细砂岩，直接底为1.25 m 的泥岩，基本底为3.7 m 的中砂岩。

原设计留设30 m 的区段煤柱，浪费大量的煤炭资源。因此，提出采用柔模沿空留巷技术提高煤炭资源回收率。

2 柔模沿空留巷技术研究

2.1 柔模充填体宽度设计

通过充分调研周边地质条件相近矿井，柔模体宽度一般为0.5～1.5 m 范围内，依据申南凹煤矿2#煤层赋存条件，借助FLAC3D数值模拟软件，对柔模充填体宽度为0.7 m、1.0 m 及1.3 m 时，留巷变形情况进行分析，煤层顶底板岩层物理力学参数见表1。

模型长×宽×高=400 m×300 m×80 m，前、后、左、右、下表面均施加约束，上表面施加12.3 MPa 垂直荷载，巷道断面宽×高=4.5 m×3.5 m。不同宽度柔模充填体巷道围岩变形量如图1。

图1 不同宽度柔模充填体巷道围岩变形量

如图1 所示，当柔模充填宽度为0.7 m 时，巷道顶板下沉量最大值为140 mm，底鼓量最大值为50 mm，巷道实体煤侧变形量最大值为50 mm，柔模充填体竖直位移约100 mm，水平位移较小，仅为15 mm。巷道顶板锚杆（索）变形量较大，其中锚索最大变形量为140 mm，锚杆最大变形量为100 mm，此时支护较为稳定，但由于锚杆（索）变形量大，存在一定的安全隐患。当柔模充填宽度为1.0 m 时，巷道顶板下沉量最大值为75 mm，底鼓量最大值为25 mm，巷道两帮变形量最大值为35 mm，巷道顶板锚杆（索）变形量也明显减小，支护效果明显改善，巷道围岩稳定性明显提升。当柔模充填宽度为1.3 m 时，巷道顶板下沉量最大值为70 mm，底鼓量最大值为20 mm，巷道两帮变形量最大值为30 mm，巷道顶板锚杆（索）变形量也有一定的减小，此时巷道围岩稳定，支护效果良好。

柔模充填体宽度为0.7 m、1.0 m 及1.3 m 三种工况条件下，巷道围岩应力值及变形量如图2。

图2 不同宽度柔模充填体巷道围岩应力值及变形量

数值模拟结果显示，柔模充填体宽度由0.7 m增大到1.0 m 时，巷道围岩变形量、锚杆（索）变形量及巷道围岩应力值都明显改善，支护效果显著提升；而当柔模充填体宽度由1.0 m 增加到1.3 m 时，巷道围岩变形量、锚杆（索）变形量及巷道围岩应力值改善并不明显。虽然柔模充填体宽度为1.3 m时，巷道围岩稳定性更好，但是柔模充填体宽度为1.0 m 时，巷道围岩稳定性已经可以满足现场的安全生产需求。综合考虑现场工程量、劳动强度及经济成本等，确定合理的柔模充填体宽度为1.0 m。

2.2 柔模充填体支护设计

综合考虑材料运输、强度及充填成本，结合周边矿井的工程经验，确定使用C30 混凝土作为充填材料。考虑到C30 混凝土良好的可塑性及可泵性，在充填初始阶段存在一定的坍落度，为防止柔模充填体发生横向变形，需要对柔模充填体施加水平约束。如图3 所示，在柔模充填体内布置规格为Ф22 mm×1100 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm。

图3 柔模充填体巷帮支护（mm）

3 现场试验

3.1 柔模沿空留巷施工工艺

柔模沿空留巷技术主要可分为三个技术环节：1）在地面准备充填材料（包括充填混凝土及双层高强度布制成的柔模）；2）将充填材料运至回采工作面；3）现场浇筑柔模充填体。在充填材料浇筑前，将准备好的柔模悬挂在指定位置并用螺纹钢锚杆将其固定，以免注浆时柔模位置发生变化。柔模固定好后，即可注入搅拌好的混凝土浆液。

3.2 现场监测

在申南凹煤矿20108 工作面进行现场试验，将20108 运输巷采用柔模沿空留巷技术保留下来作为20110 回风巷使用。按照前述分析结果，柔模充填体宽度设计为1.0 m。沿空留巷技术最重要的评判标准就是所留巷道围岩变形量能否满足安全生产需求，为验证柔模沿空留巷技术的留巷效果，对20108 运输巷巷道围岩变形量进行现场监测，在20108 运输巷每隔50 m 布置一个监测点，共布置3个监测点，其中1#监测点布置在距离开切眼30 m位置。现场监测曲线如图4。

图4 巷道围岩变形量监测曲线

如图4 所示，三个监测点巷道围岩变形量变化趋势相似。在工作面回采过程中，巷道围岩变形量不断增大，直到监测点距离工作面80 m范围以外时，巷道围岩逐渐趋于稳定。当巷道围岩稳定后，1#监测点两帮移近量最大值为38 mm，副帮侧顶底板移近量最大值为79 mm，巷中顶底板移近量最大值为109 mm，柔模侧顶底板移近量最大值为141 mm；2#监测点两帮移近量最大值为55 mm，副帮侧顶底板移近量最大值为92 mm，巷中顶底板移近量最大值为151 mm，柔模侧顶底板移近量最大值为225 mm；3#监测点两帮移近量最大值为36 mm，副帮侧顶底板移近量最大值为71 mm，巷中顶底板移近量最大值为112 mm，柔模侧顶底板移近量最大值为145 mm。现场监测数据显示，柔模充填体位置巷道顶底板移近量最大，主要表现为顶板下沉，最大变形量为225 mm，巷道两帮移近量最大值为55 mm。整体来看巷道围岩变形量并不大，可以满足现场的安全生产需求。

4 结论

1）申南凹煤矿主采2#煤层合理的柔模充填体宽度为1.0 m；

2）充填材料选用C30 混凝土，为防止柔模充填体发生横向变形，在柔模充填体内布置规格为Ф22 mm×1100 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm；

3）采用柔模沿空留巷技术所留巷道，顶板下沉量最大位置为柔模充填体位置，顶板最大下沉量为225 mm，两帮移近量最大值为55 mm，巷道整体变形量不大，可以满足巷道复用的要求。