沿空留巷充填体参数确定与支护方法研究

张 青

（翼城华泓煤业有限公司，山西 临汾 043500）

1 工程概况

针对缓倾斜厚煤层综放开采技术，为提高煤炭资源回采率，往往采用沿空留巷工艺，而巷旁充填体参数对于巷道的稳定性影响重大[1-2]。探究该技术应用下沿空巷道充填体参数优化，提出合理的支护方法，对保证沿空巷道稳定是非常必要的[3-4]。华堡煤矿主采3#煤层的3207 工作面，煤层倾角7°，平均厚5.3 m，采高2.6 m，工作面长度180 m，采用综放采煤工艺。3207 工作面位于井田南部二采区，南为3208 工作面采空区，西为井田边界，东为采区巷道，北为实体煤。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况

3207 工作面采用“Y”型通风方式，其中皮带巷和轨道巷沿煤层底板掘进，皮带巷和轨道巷为进风巷，皮带巷采后进行沿空留巷，作为连通工作面和回风巷的回风通道（如图1）。需研究巷旁充填体参数和沿空巷道一体化支护方法，以有效解决沿空巷道稳定性控制问题。

图1 3207 工作面布置图

2 沿空留巷巷旁充填体参数确定

在巷道围岩属性确定的条件下，充填体的强度和几何尺寸成为影响沿空留巷成败的关键要素。采用FLAC3D软件[5-6]分析不同充填体参数下巷道所受应力及变形情况，模型尺寸为长×宽×高=350 m×300 m×100 m，模拟巷道尺寸为宽×高=5.8 m×3.0 m，模型底部及四周进行位移约束，模型顶部施加4.5 MPa 载荷等效于上覆岩层自重。煤岩体力学参数见表2。

表2 煤岩体物理力学参数

2.1 不同充填体宽度数值模拟分析

针对沿空留巷段充填体宽度，研究选取宽度为1.0 m、1.5 m 与2.0 m 三种工况进行分析。不同充填体宽度下巷道变形情况如图2。对于沿空巷道，随着充填体宽度的增加，巷道变形整体呈现降低趋势，其中顶板最大下沉量分别为188 mm、133 mm与121 mm，底板最大底鼓量分别为75 mm、72 mm与71 mm，充填体侧最大位移量分别为465 mm、273 mm 与242 mm，实体煤侧最大位移量分别为57 mm、54 mm 与52 mm。可以看出，巷道充填体侧变形发展受充填体宽度影响最为明显。值得注意的是，对于宽度1.5 m 与宽度2 m 两种工况，充填体侧变形均较小，满足巷道稳定要求。综合施工材料成本考虑，确定合理充填体宽度为1.5 m。

图2 不同充填体宽度下巷道变形量

2.2 不同充填体强度数值模拟分析

针对沿空留巷段充填体强度，研究选取强度分别为10 MPa、15 MPa 与20 MPa 三种工况进行分析。不同充填体强度下巷道充填体侧垂直应力分布情况如图3。可以看出，当强度为10 MPa 时，充填体侧垂直应力为3.5 MPa；当强度为15 MPa 时，充填体侧垂直应力为4 MPa；当强度为20 MPa 时，充填体侧垂直应力为12 MPa。

图3 不同充填体强度下巷道垂直应力分布情况

针对不同的充填体强度，数值模拟得到围岩变形情况如图4。对于沿空巷道，随着充填体强度的增加，巷道变形整体呈现降低趋势，顶板最大下沉量与底板最大底鼓量降低程度较小，基本呈现缓慢下降趋势。随着充填体强度的增加，沿空巷道两侧位移均显著降低，特别是当强度为20 MPa 时，巷道整体变形较小，在允许范围内。由此确定合理充填体强度为20 MPa。

图4 不同充填体强度下巷道变形量

3 沿空留巷支护方法

3.1 巷道永久支护方法

3207 皮带巷净宽5800 mm、净高3000 mm，净断面17.4 m2，原巷道顶板布置6 根锚杆及3 根锚索，两帮布置3 根锚杆。为保证留巷围岩的稳定，提出锚杆（索）加密补强支护方法，对巷道顶板由原来的每排6 根锚杆补强为8 根锚杆，锚杆间排距为800 mm×900 mm；顶锚索垂直巷道顶板布置，长度为6300 mm，两边锚索距巷道帮部距离分别为1050 mm 和350 mm，锚索间排距1500 mm×1800 mm。巷道两帮每侧打设4 根锚杆，长度为2500 mm，间排距800 mm×900 mm。巷道补强支护断面如图5。

图5 巷道补强支护断面图（mm）

3.2 巷道临时支护方法

1）挂设护顶挡矸金属网

工作面机尾段液压支架（共5 架）顶板铺设联接10#双层金属网，金属网与巷道顶板金属网搭接500 mm，采用双丝三扣、隔孔相联的方式联接两道。金属网规格7 m×1 m，网孔50 mm×50 mm。

2）打设切顶迈棚木支柱

根据以往施工经验，井下破坏的柔模混凝土墙体宽度普遍在0.8～1.0 m 范围内，且以小于1 m 范围居多。造成这一问题的根源是切顶挡矸支护没有支设到指定位置，偏向巷道内，而留巷宽度一定，导致墙体宽度不够。为此，支架移架后，提出沿预计的留巷充填体采空区侧打设切顶迈棚木支柱，每排打设两根，排距600～800 mm，圆木规格Φ200 mm×3000 mm。

3）单体支柱支护

通过现场调查，在工作面超前50 m 与滞后200 m 范围应加强支护，采用“一梁三柱+π 型梁”支护方法。新浇筑的混凝土充填体，沿边打设一排加强单体，排距0.8 m。混凝土浇筑5 d 后（约推进20 m），此排单体可依次回收。

4 实践效果

为进一步证实方案的可靠性，对3207 沿空巷道稳定情况进行了现场监测，观测巷道顶底板和两帮变形情况，监测结果如图6。沿空巷道变形稳定后，顶板最大下沉量为163 mm，充填体侧最大位移量为218 mm，实体煤侧最大位移量为146 mm，底板最大底鼓量为133 mm，3207 沿空留巷巷道稳定性控制效果良好。

图6 巷道变形监测结果

5 结论

1）沿空巷道充填体侧变形发展受充填体宽度影响明显。巷旁充填体宽度越大，可承载的上覆顶板回转下沉变形越大，越有利于沿空巷道的稳定。综合施工材料成本等因素，确定合理充填体宽度为

1.5 m。

2）随着充填体强度的增加，沿空巷道两侧位移均显著降低，特别是当强度为20 MPa 时，巷道整体变形较小，充填体侧位移减小40.4%，满足稳定要求，确定合理充填体强度为20 MPa。

3）提出锚杆（索）加密补强永久支护与“挂设护顶挡矸金属网+打设切顶迈棚木支柱+单体支柱”临时支护的沿空留巷一体化支护技术，结合合理的巷旁充填体参数，通过现场实践，沿空巷道最大变形量为218 mm，实现了3207 工作面沿空巷道的稳定。