苗青旺

（山西潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041204）

煤炭資源作為我國(guó)主要的能源資源，對(duì)促進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮著戰(zhàn)略意義[1-2]。但是，由于煤炭其不可再生性和賦存條件的復(fù)雜性，煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的實(shí)現(xiàn)要求煤炭資源在安全、高效開(kāi)采的同時(shí)，提高煤炭資源的回采率。無(wú)煤柱開(kāi)采中的沿空留巷技術(shù)通過(guò)將上區(qū)段的回采巷道留作下區(qū)段使用，既減少了巷道的掘進(jìn)工作量，減少了區(qū)段煤柱造成的資源浪費(fèi)，又避免了區(qū)段煤柱應(yīng)力集中引起的頂板、圍巖失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，對(duì)煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展

無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)主要分為沿空掘巷和沿空留巷兩種方式，其中，沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)發(fā)展較快，在我國(guó)的各大礦區(qū)正得到廣泛的實(shí)踐應(yīng)用[3-5]。

我國(guó)對(duì)沿空留巷技術(shù)和理論的研究開(kāi)始于20世紀(jì)50年代，個(gè)別礦區(qū)在煤層賦存條件相對(duì)較好的區(qū)段應(yīng)用沿空留巷技術(shù)，沿空留巷技術(shù)得到初步探索。20世紀(jì)70年代，隨著對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律及采動(dòng)引起的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究的不斷深入，基于對(duì)回采巷道布置與礦上壓力顯現(xiàn)之間內(nèi)在聯(lián)系的分析，部分重點(diǎn)煤礦開(kāi)始應(yīng)用沿空留巷，沿空掘巷技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。20世紀(jì)90年代末，由于沿空留巷技術(shù)在主要礦區(qū)得到成功的實(shí)踐應(yīng)用，業(yè)內(nèi)開(kāi)始制定相關(guān)的法律法規(guī)對(duì)沿空留巷技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)范和部署，對(duì)沿空留巷技術(shù)在我國(guó)的推廣應(yīng)用具有里程碑意義。21世紀(jì)以來(lái)，隨著以巷旁充填和錨桿支護(hù)為基礎(chǔ)的巷道圍巖控制技術(shù)的不斷完善，沿空留巷技術(shù)在各大礦區(qū)不斷攻克相關(guān)難題，得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展[6-7]。

2 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)體力學(xué)模型

沿空留巷開(kāi)采過(guò)程中，在上區(qū)段工作面回采后，需要在回采巷道的采空區(qū)側(cè)通過(guò)充填體對(duì)采空區(qū)進(jìn)行隔離，并對(duì)巷道進(jìn)行穩(wěn)定性維護(hù)。因此，下區(qū)段煤體、巷旁充填體和采空區(qū)矸石在基本頂來(lái)壓作用下，將形成“煤體－充填體－矸石”的沿空留巷的巷道圍巖結(jié)構(gòu)。該圍巖結(jié)構(gòu)與上覆 巖層的相互作用對(duì)巷道的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，是決定沿空留巷成敗的關(guān)鍵因素。

2.1 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)體特征

從關(guān)鍵層理論分析的角度對(duì)沿空留巷上覆巖層與下區(qū)段實(shí)體煤、巷旁充填體和采空區(qū)矸石形成的“砌體梁”巷道圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)建模分析。

圖1 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示為沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)，隨著上區(qū)段工作面不斷向前推進(jìn)，基本頂在實(shí)體煤內(nèi)發(fā)生斷裂，形成如圖1所示的結(jié)構(gòu)模型。上覆關(guān)鍵層以實(shí)體煤幫和巷旁充填體為支撐點(diǎn)，其中巷道實(shí)體煤幫承受最大的應(yīng)力集中作用，容易發(fā)生較大的變形，不利于巷道的使用。與此同時(shí)，關(guān)鍵塊體在回轉(zhuǎn)和下沉過(guò)程中發(fā)生觸矸，沿空留巷的巷道在上區(qū)段工作面回采、上覆巖層運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，下區(qū)段實(shí)體煤、巷旁充填體以及采空區(qū)矸石等共同承受由于上覆巖層運(yùn)動(dòng)而引起的礦山壓力。因此，從圍巖結(jié)構(gòu)體的宏觀角度看，科學(xué)合理的巷旁充填體以及穩(wěn)定煤幫的巷內(nèi)支護(hù)對(duì)沿空巷道的穩(wěn)定性控制起著重要作用。

2.2 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)體力學(xué)模型的建立

圖2 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

如圖2所示，將模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成彈性結(jié)構(gòu)，因此，可以建立沿空留巷彈性基礎(chǔ)力學(xué)模型。下區(qū)段實(shí)體煤、巷旁充填體和采空區(qū)矸石共同支撐和控制上覆基本頂巖層彎曲下沉引起的承載力。

實(shí)體煤煤幫上方頂板的最終下沉量yc為：

巷旁充填體上方頂板最終下沉量ym為：

基本頂平均下沉量y為：

式中：Sk為巷幫煤體塑性區(qū)寬度，m；Hk為巷道寬度，m；Ck為充填體寬度，m；LE為巖梁寬度，近似為基本頂周期來(lái)壓步距，m。yg為沿空留巷上覆基本頂巖梁末端無(wú)阻礙沉降值，mm；mZ為直接頂厚度，m；KA為巖石碎脹系數(shù)。

從對(duì)沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)體力學(xué)模型的分析可知，沿空留巷的穩(wěn)定性與基本頂巖層的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，同時(shí)，下區(qū)段實(shí)體煤的受力變形規(guī)律和巷旁充填體的穩(wěn)定性對(duì)回采巷道的使用發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

3 工程實(shí)踐

3.1 工程概況

以山西潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)2#煤層的1103工作面的沿空留巷的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)為工程背景，其中，回采巷道的剖面圖為矩形，寬度為4m，高度為2.5m，該煤層埋深在180m左右，煤層傾角3～5°的緩傾斜煤層，煤層平均厚度為1.36m，煤層及頂?shù)装鍘r層的巖性及厚度見(jiàn)表1。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r層的巖性

3.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

本文從對(duì)實(shí)體煤煤幫、頂板和巷旁充填體的支護(hù)進(jìn)行巷道穩(wěn)定性分析。

巷內(nèi)支護(hù)的基本形式為高強(qiáng)螺紋鋼錨桿和錨索支護(hù)方式。通過(guò)錨桿的初始支護(hù)作用有效擴(kuò)散于錨桿周圍的巖體中，從而控制圍巖中新生裂紋的產(chǎn)生和裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，以及節(jié)理裂隙、弱結(jié)構(gòu)面等的破壞。根據(jù)錨桿支護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，在結(jié)合該煤層具體地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，確定頂板錨桿的直徑20mm，長(zhǎng)度2.4m，預(yù)緊力矩300N·m，排距900mm×1000mm；實(shí)體煤幫錨桿間、排距均為1000mm；錨索直徑φ18.9mm，長(zhǎng)度6.3m，每排2根錨索，間距1.8m，排距3m，預(yù)緊力為350kN。

充填式巷旁支護(hù)是沿空留巷多種支護(hù)形式中支護(hù)效果較好的一種支護(hù)形式，但是對(duì)充填體的強(qiáng)度、性能等要求較高。在工作面頂板垮落過(guò)程中要求巷旁充填體要有夠的強(qiáng)度以應(yīng)對(duì)直接頂巖層的跨落沖擊作用。另外，巷旁充填體也應(yīng)該具有較好的變形性能，以適應(yīng)基本頂巖層的回轉(zhuǎn)下沉作用。

3.3 支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

通過(guò)在沿空留巷的巷道內(nèi)安設(shè)巷道位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)1103工作面回采期間巷道的變形規(guī)律。其中，測(cè)站1在采煤工作面前方50m處，監(jiān)測(cè)工作面前方10～50m范圍內(nèi)巷道巷道在超前支承壓力影響下的變形規(guī)律；測(cè)站2在采煤工作面后方10m處，用于監(jiān)測(cè)工作面推過(guò)后10～50m范圍內(nèi)沿空留巷的變形規(guī)律。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)曲線

如圖3（a）所示，工作面前方巷道受超前支承壓力的影響，隨著工作面的推進(jìn)，在工作面前方10～30m的范圍內(nèi)巷道變形量較大；兩幫移近量為25mm，其中巷旁充填體的變形量為5mm；頂?shù)装逡平繛?2mm，頂板下沉量為11mm，底板向上的移近量為21mm。巷道變形仍以實(shí)體煤幫與底板變形量為主。如圖3（b）所示，兩幫移近量為20mm，巷旁充填體的變形量為2mm，實(shí)體煤幫向巷道的移近量為18mm；頂?shù)滓平繛?5mm，頂板下沉量為15mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

沿空留巷開(kāi)采過(guò)程中，下區(qū)段煤體、巷旁充填體和采空區(qū)矸石在基本頂來(lái)壓作用下，將形成“煤體－充填體－矸石”的沿空留巷的巷道圍巖結(jié)構(gòu)。

通過(guò)對(duì)山西潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)2#煤層的1103工作面（上區(qū)段）的沿空留巷的過(guò)程中實(shí)體煤煤幫、頂板和巷旁充填體的支護(hù)進(jìn)行巷道穩(wěn)定性分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了該圍巖結(jié)構(gòu)與上覆巖層的相互作用對(duì)巷道的穩(wěn)定性的作用，是決定沿空留巷成敗的關(guān)鍵因素。