大采高8105 综采工作面高水充填沿空留巷控制技术研究

李 博

（晋能控股煤业集团，山西 大同 037000）

1 概况

同忻矿8105 工作面长度230 m，基本顶平均厚度4 m，直接顶平均厚度9 m，煤层倾角平均7°。目前，5105 运输巷采用混凝土沿空留巷技术，留巷后巷道、充填体宽度分别是5.6 m、2.0 m，充填体切顶阻力1569 kN/m，留巷效果差，留巷成本高，不利于安全生产。

2 高水充填巷旁充填留巷技术设计

高水充填巷旁充填沿空留巷技术，相比矸石、柔模混凝土等留巷技术[1]，具有以下特点：工艺系统简单，初期投资少；可长距离输送，机械化程度高；能够适应充填体顶板下沉，维护留巷稳定；有效隔离留巷、采空区，实现矿井安全生产[2]。

2.1 巷旁充填体参数设计

高水材料水灰比定为1.5:1，充填工序每天两班，充填体长×宽×高=3.2 m×2.5 m×3.5 m；充填体都在采空区内，留巷宽度为5.6 m。

采用对拉锚杆、钢筋梯子梁、钢筋网加强支护充填体，提高其抗变形能力。锚杆间排距900 mm×800 mm，最下面、最上面1 根分别距底板300 mm、顶板500 mm。锚杆选用Ф22 mm×2700 mm 螺纹钢；钢筋梯子梁采用圆钢Ф14 mm 焊接制作而成；钢筋网选用Ф6 mm 钢筋焊制，网孔≤100 mm×100 mm，两网片用双股铁丝连接牢固，搭接铺设长度≥100 mm。图1 为充填体加固方式。

图1 充填体加强支护布置图（mm）

2.2 充填设备选型及布置

8105 工作面充填量为28 m3/班、2.5 h/班，因此，充填量为11.2 m3/h，充填泵能力应大于187 L/min。因高水材料输送距离最大为2000 m，输送阻力为0.35 MPa/100 m，确定选用液压双液喷涂泵，型号为ZBYSB340/18-55，额定压力、流量分别是18 MPa、340 L/min。

泵站布置于该工作面北面一盘区辅运大巷与5105 运输巷交叉处，充填泵2 台(一用一备)、搅拌桶5 台（甲、乙料各2 台，备用1 台）、电磁启动器5 台（喷涂泵1 台、搅拌桶4 台），并在料场附近布置搅拌桶。泵站供电电压1140 V/660 V，采用两路Ф50 mm 高压胶管作为输浆管路。

2.3 围挡空间设计

围护空间主要是在支护巷旁前，采取临时手段对顶板进行范围控制[3]。一般情形下，临时支挡多使用挡矸支架或单体液压支柱。

结合8105 工作面地质开采条件，专门设计挡矸支架围挡临时支护，如图2。在端尾替换4～5 架原支架为端尾支架，在端尾支架后方挡矸处采用2架挡矸支架挡矸，挡矸支架互为支撑，迈步推进。

图2 充填区围挡空间支护

2.4 充填上方顶板支护

加强充填区内顶板支护，保证顶板完整性。支护方案设计如下：第一种：割煤后，先推刮板输送机，再将顶网铺设在端头4 架液压支架，使用锚杆（索）对顶板加固，最后移架。为保证施工的安全性，顶板及时支护。该方法要求将刮板输送机暂停，会影响工作面的回采。第二种：制作超前缺口在工作面端头，由于是在工作面端头采取放炮作业，虽不会对正常推进产生影响，但是会增大作业量。第三种：对于好的顶板条件，可将充填区顶锚网索支护技术应用在支架后方。该方法虽存在一定的加固滞后性，但是不会影响回采进度[4]。

结合8105 工作面顶板状态，采取第三种加固方案。具体设计为：在端尾4 架支架架前布置10#菱形金属网，在架后每排打设3 根Ф20 mm×2500 mm 锚杆，间排距1300 mm×800 mm，采用钢筋梯子梁护顶，Ф14 mm。加固时，尽可能使锚杆的外露长度小，最好≤50 mm。图3 为充填加强支护图。当顶板条件较差时，可在架前施工顶板锚杆。

图3 充填区域上方加强支护图（mm）

3 沿空留巷补强支护

3.1 留巷段加强支护

在留巷、回采期，顶板活动明显，采用单体液压支柱在工作面后方120 m 内加强支护，3 根液压支柱搭配工字钢梁或π 型梁加强支护，一梁3 柱，边柱距两帮1000 mm，排距1000 mm。

3.2 密集钻孔卸压

8105 工作面部分区域顶板坚硬、致密，顶板压力大，矿压显现明显，为避免悬顶影响留巷，工作面回采后顶板不及时垮落，可在端尾支架的工作间内进行弱化孔施工[5]，提前弱化、预裂一定区间内的上覆岩层，利用采场周期来压，促使支撑架构的形成，改善其下沉、回转形态，完成顶板卸压[6]。具体为：施工一排顶板弱化孔在墙体外侧顶板300～500 mm 内，孔间距600 mm，直径48 mm，孔深8 m（可根据顶板岩层厚度情况进行调整），向采空侧倾斜10°，如图4。

图4 密集钻孔布置示意图（mm）

4 充填体施工工艺

1）顶板支护

割煤→端尾支架布置顶网（根据顶板情况）→液压支架移架→架后支护、挡矸→加固充填区顶板。

2）构筑充填体

依照推进进度，每日构筑充填体2 垛：清除浮煤→定位充填体→立模（布置钢筋网、单体液压支柱、吊充填袋、穿对拉锚杆）→配料注浆→清洁管路、注浆设备→回收支柱。

3）辅助切顶（可选）

利用支架后方、挡杆密集支柱支护，施工切顶密集钻孔，辅助充填体切顶。

4）清理现场，准备下一循环。

基本工艺流程如图5。

图5 充填工艺图

5 留巷期间矿压监测结果

对8105 工作面高水充填沿空留巷控制技术进行了矿压监测，得到随工作面推进充填体横、纵向位移的变化曲线，如图6。

图6 充填体横、纵向位移变化曲线

从图中可见，工作面后方10 m，充填体横、纵向几乎没有变形；工作面后方10～20 m，顶板活动明显，变形量缓慢增大，但此时仍比较小；工作面后方20～60 m，煤层顶底板变形量持续增大，充填体横向变形快速增到190 mm，纵向变形增到150 mm；工作面后方60～80 m，顶板逐渐趋于稳定，巷道围岩变形减缓，充填体横、纵向变形量增大变缓，同时，其变形速率增大也较缓慢；工作面后方80 m，充填体逐步趋于稳定，此时，充填体横、纵向变形分别是250 mm、210 mm。综上分析，充填体变形量一直在可控范围内。

6 结论

1）设计沿空巷旁充填支护，包括充填体加强支护参数、设备选型及布置充填区域围挡空间及顶板支护。其中，选用对拉锚杆、钢筋梯子梁、钢筋网加强支护充填体；充填区围挡采用专门的挡矸支架；充填区上方顶板采用锚网索支护。

2）设计沿空留巷补强支护，一是采用单体液压支柱在工作面后方120 m 搭配工字钢梁或π 型梁加强支护；二是密集钻孔卸压，在端尾支架的工作间内施工弱化孔，实现顶板卸压。

3）8105 工作面高水充填沿空留巷充填体横、纵向变形缓慢增大至最后趋于稳定，最终变形量分别是250 mm、210 mm，均在可控范围内，可以保证煤矿的安全稳定生产。