王 龍

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦，山西 晉城 048000）

綜采放頂煤沿空留巷由于采高較大且需要經歷2 次采動高應力作用[1-3]，巷道圍巖應力集中系數高，圍巖采動損傷嚴重，松動區(qū)和塑性強化區(qū)范圍明顯增大，巷道極易破壞失穩(wěn)，造成較大的安全隱患和維護成本。晉煤集團成莊礦一直在進行沿空留巷技術探索，但隨著礦井現代化、機械化、生產集約程度的提高，設備功率尺寸的加大，回采巷道斷面要求也越來越高。受兩次采動高應力影響，留巷斷面收縮嚴重，無法滿足通風和瓦斯抽采的空間要求，在支護強度不匹配的情況下甚至會發(fā)生變形失穩(wěn)。留巷圍巖穩(wěn)定控制對實施無煤柱連續(xù)開采以及煤與瓦斯共采的制約變得愈加突出，合理解決復雜頂板條件下綜放沿空留巷空間維護難題，是解決煤、氣綠色開采、緩解現場生產迫切需要和技術實施難度較大矛盾的關鍵所在[4-5]。

1 工程概況

4311 工作面是成莊礦的綜放工作面，采高6.3m。工作面通風采用“兩進一回”的方式，其中43111、43113 巷為工作面主要進風巷，43112 巷為回風巷。為滿足工作面通風，并實現工作面“Y”型通風、隔絕采空區(qū)瓦斯的需求，決定在43113 巷實施沿空留巷工程。

2 巷道支護方式分析

2.1 巷道原有支護方式

43113 工作面運輸巷高3.2m，寬5m。巷道原來僅為錨網索支護，局部頂板破碎段用工字鋼梁補強支護。支護主要采用直徑為22mm、長2.4m 的高強、延展率較大的錨桿，該錨桿滿足沿空留巷圍巖產生大變形的需求。頂板錨桿桿體左旋無縱筋螺紋鋼筋屈服強度大于500MPa，延伸率達20%，兩幫采用與頂板相同的錨桿。錨索采用Ф22mm×7400mm的鋼絞線，破斷荷載為337kN。用帶U 形環(huán)的特制梯子梁及金屬網護頂，型號為BHW-250-3-4500-5的W 型鋼帶以及鐵絲網護幫。

通過井下觀察，由于巷道斷面及工作面采高較大，開采擾動比較劇烈，造成巷道圍巖破碎，移近量大，出現了一些錨桿托盤不貼幫、支護失效以及部分網兜現象。原支護方案難以承擔沿空留巷劇烈變形的要求。

巷道的底板留有3m 厚的底煤，雖有一定強度，但仍會發(fā)生底鼓大變形。

2.2 巷道補強支護方式

根據4311 工作面的實際生產地質條件，確定對巷內頂板和實體煤幫補強支護。方案為：在原有支護的基礎上，實體煤幫與頂板每排分別補打兩根錨索，煤幫錨索采用直徑為22mm、長度為5.3m 的高強錨索，頂板采用直徑為22mm、長度為7.4m 的高強錨索。見圖1。

圖1 巷道補強支護

3 沿空留巷支護方式

（1）充填點臨時支護

由于保障充填區(qū)域頂板的穩(wěn)定性是沿空留巷圍巖控制的關鍵，因此巷旁支護施工前，為保持頂板的完整與穩(wěn)定，需要設計高阻力措施加強支護。在工作面端頭支架移動后，采取單體液壓支柱配鉸接頂梁對裸露頂板實施支護，單體柱間排距均為500mm。在吊掛充填袋時，逐步撤掉充填區(qū)內的單體支柱，留出空間吊掛充填袋。

（2）工作面后方加強支護

工作面后方的支護方式主要為單體柱支護，即在后方150m 范圍內使用單體液壓支柱配合鉸接頂梁在巷道內加強支護，單體柱的間排距均為1.0m，巷道內設計為每排三根單體支柱。

（3）充填區(qū)域頂板維護

沿空留巷工藝中，保障充填體上部頂板穩(wěn)定是關鍵，如果巷道頂板穩(wěn)定性差，極易發(fā)生冒頂等事故，阻礙充填工作的順利進行。為了保障充填工作的順利開展，根據成莊礦4311 工作面生產地質條件，為緩解頂板回轉下沉，防止頂板在充填材料凝結固化期間對巷旁支護結構造成的壓破壞，應該對需要充填區(qū)域的頂板進行補強支撐，具體支護方案見圖2。

圖2 充填區(qū)域頂板支護布置

（4）充填體參數設計

根據工作面生產地質條件，充填體強度無法阻止前期直接頂的旋轉下沉，故采用分層充填承載機制，充分發(fā)揮墻體的“讓-抗”協調承載性能。其次，垮落破碎的直接頂無法完全填充采空區(qū)，按照切頂型設計支護方式，割斷基本頂需要的支護阻力為5.04MPa。故而，封閉袋式充填所需的高水材料采用1.5:1 的水灰比。該水灰比條件下，實驗室測得充填體凝結1d 后強度為5.5MPa，3d 強度7.5MPa，7d 強度9.2MPa，可以滿足切頂所需強度。

充填速率依據工作面的推進速率， 1d充填一次，充填長度為3.2m，充填體尺寸寬×高=2m×3m。由于充填體基體為水泥漿料，該材料的抗壓強度大，抗拉強度以及抗變形能力較差，因此，為增大充填體的穩(wěn)定性和抗變形能力，設計在充填體內提前預制部分預應力承載裝置。如圖3 所示。

圖3 充填墻體加固示意圖

4 留巷礦壓觀測效果分析

4.1 充填體變形

巷旁充填墻體變形是其與圍巖彼此作用相關性的體現，墻體自身要歷經兩次強采動影響，為保證在下區(qū)段工作面回采時能夠正常使用，首次開采擾動的穩(wěn)定性尤為重要。留巷期間，通過對充填體進行變形量監(jiān)測，得出其變形量特征如圖4 所示。

圖4 充填墻體變形特征

由圖4 可知，充填體發(fā)生變形的速率兩次達到最大，表明在留巷期間，基本頂沿充填體外又一次發(fā)生破斷，形成砌體梁結構后，圍巖快速趨于不變。充填體變形過程可分成4 個階段。

第1 階段：在距離0～25m 區(qū)域內，充填體構筑沒有承受較大的負荷，但由于充填體自身具有較大的強度，導致其變形量較小。

第2 階 段：25～110m 范 圍 內，工 作 面 頂 板活動劇烈，該范圍內充填體的形變占其全過程的84.7%。在基本頂結構發(fā)生兩次破斷的過程中，充填體遭受的負荷增加，變形劇烈，在此階段內其變形速度有兩個最大值，該階段充填體的壓縮量是留巷穩(wěn)定后總變形量的最大組成部分。

第3 階段：110～155m，應力遠離工作面后方之后，圍巖采動損傷嚴重，基本處于運動終止狀態(tài)。充填體與頂板的相互作用已基本近似穩(wěn)定，充填體的縱向變形速度趨近于零，變形量還會增加，但增幅明顯低于上一階段。

第4 階段：155m 以后充填體的形變速率逐漸緩慢趨于不變，形變速率為0～0.3mm/d，充填體的最大變形量為289.5mm，墻體的壓縮率為7.3%，未到達巷旁充填體抗壓強度，滿足二次回采的需要。

4.2 留巷圍巖變形

由于圍巖與充填墻體存在支護與被支護的關系，兩者是互相制約協調運動的，其變形規(guī)律基本相似，圍巖變形特征見圖5。

圖5 頂底板變形特征

（1）留巷巷道兩幫，主要是實體煤幫發(fā)生變形。留巷穩(wěn)定后，兩幫移近量最大661mm，其中實體煤幫變形達486.5mm，占巷道兩幫變形總量的73.6%。巷道圍巖變形基本不變后，實煤體側頂板的下沉量為291.2mm，充填體側頂板下沉量略大，達到了335.9mm。

（2）與充填體變形速率比較，基本頂在第1次發(fā)生破斷時，實體煤幫的承載性能良好。而基本頂第2 次發(fā)生破斷時，實煤體幫的承載性能大大減小，留巷巷道的變形速率急劇增長，最大值為37.5 mm/d，遠高于充填體的變形速率。

4.3 沿空留巷維護狀況

從現場維修情況可知，充填墻體的澆筑效果良好，預應力承載裝置施工完備，充填墻體有效接頂，提供了較高的承載能力。雖然觀察留巷巷道有較明顯的底鼓量，但巷道仍整體穩(wěn)定，達到了預期目的，工作面順利推進。

綜上，巷內基本支護（高強錨桿、索聯合支護）與加強支護（單體柱配合鉸接頂梁），配合新型高水材料充填體及其預應力承載加固結構，有效維護了沿空留巷作業(yè)空間，使留巷圍巖得到有效控制，留巷巷道變形量在工程允許范圍內。

5 結論

（1）使用高強度錨桿、索支護增大巷道支護強度，單體液壓支柱配套鉸接頂梁，同時配合高水材料充填墻體有效提供了沿空留巷合理的支護強度。

（2）結合成莊礦4311 綜采放頂煤高水材料巷旁充填沿空留巷礦壓觀測結果，將采動留巷階段充填墻體變形分為四個變形階段，巷道圍巖變形以底鼓與實體煤幫變形為主，頂底板與兩幫最大變形量分別為580mm 和600mm。

（3）高水材料充填墻體有效地控制了留巷頂板活動，留巷空間穩(wěn)定，巷道變形量小，能夠滿足生產需求，為其他復雜頂板條件下綜采放頂煤沿空留巷穩(wěn)定控制技術的推廣提供了一定的理論指導。