楊星亮

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 洪洞 031400）

1 工程背景

山西霍寶干河煤礦主采2#煤層，賦存深度540～680 m，煤層傾角6°～10°，平均為8°，煤層平均厚度3.72 m，煤層硬度（f）為1.5，屬于穩(wěn)定性煤層。如表1 所示，2#煤層上方依次為0.15 m的粉砂巖、1.2 m 的中粒砂巖及1.5 m 的細粒砂巖，底板巖層依次為2.4 m 的細粒砂巖和4.55 m 的中粒砂巖，頂板裂隙發(fā)育，底板遇水不膨脹。

2 方案設計及數值模擬分析

2.1 方案設計

（1）原支護方案

為提高煤炭資源回收率，提出采用巷道加強支護+巷旁充填的方式進行沿空留巷，取消區(qū)段煤柱的留設，實現無煤柱開采[1-4]。如圖1 所示，2-118C1回風巷為矩形巷道，巷道尺寸為寬× 高=4.8 m×3.5 m，頂板錨桿選用Ф18 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm，錨索為Ф17.8 mm×6500 mm，間排距為1000 mm×2000 mm。巷幫采用Ф18 mm×1600 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm。

圖1 巷道原始支護方案（mm）

（2）沿空留巷方案設計

考慮到沿空巷道受多次采動影響，巷道圍巖易失穩(wěn)破壞，因此需要進行補強支護。在巷道頂板補打兩根Ф17.8 mm×6500 mm 的錨索，間排距為3000 mm×1000 mm。非采幫在地質構造帶可補打幫部錨索。巷旁充填選用C30 的混凝土，充填體厚度為1000 mm。為約束充填體變形，在充填體內安置Ф20 mm×1100 mm 的螺紋鋼錨桿，如圖2。

圖2 沿空留巷方案示意圖

2.2 沿空留巷效果模擬分析

借助FLAC3D數值模擬軟件對工作面回采后巷道圍巖應力及變形進行數值模擬，數值模擬效果如圖3。

圖3 留巷段支護效果

分析圖3 可知，工作面回采后，巷道圍巖及巷旁充填體垂直應力最大值約為8.8 MPa，水平應力最大值約為6.8 MPa，巷道頂底板變形量最大值為50 mm，巷旁充填體變形量最大值為85 mm，巷道錨桿（索）垂直變形量最大值約為85.9 mm，發(fā)生在靠近采空區(qū)側錨索上端，錨桿（索）水平變形量最大值約為82.5 mm，發(fā)生在靠近采空區(qū)側錨索下端。整體來看，在錨桿（索）及巷旁充填體的支護作用下，巷道圍巖整體變形量不大，整體并無失穩(wěn)風險，而錨桿索也并未發(fā)生破壞，支護效果良好，可以滿足安全生產需求。

3 工業(yè)性試驗

3.1 沿空留巷充填工藝

沿空留巷的關鍵工藝為充填工藝，包括6 個關鍵環(huán)節(jié)，分別為：充填干混料地面制作環(huán)節(jié)、混凝土拌和料運輸環(huán)節(jié)、井下上料環(huán)節(jié)、充填料攪拌環(huán)節(jié)、充填料泵送環(huán)節(jié)及巷旁充填環(huán)節(jié)。主要工序：

（1）完成割煤后，移端頭架，并鋪設金屬網，前移擋矸架，移動步距約0.85 m，保證端頭架與擋矸間空頂距離不大于0.8 m。注漿4 h 后，靠墻的擋矸支架方能移動。

（2）架后采用“一梁三柱”進行巷道支護，排距為1.0 m。在滯后工作面150 m 范圍后，巷道圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)時，可將支護單體及鋼梁撤除前移，進行循環(huán)使用。

（3）利用擋矸支架在采空區(qū)側掛柔模，并在巷道內安置掛柔模的單體支護。

（4）泵注混凝土，同時進行上錨栓、接管路等作業(yè)工序。

（5）對現場施工質量進行監(jiān)測，及時處理異常情況。同時安設監(jiān)測設備，定期進行數據采集，并重復上述工序。

3.2 現場監(jiān)測

為了解沿空留巷效果，對留巷段巷道圍巖變形及錨索和巷旁充填體錨桿受力進行現場監(jiān)測。在滯后工作面150 m 范圍內，每隔50 m 設置一個監(jiān)測點，用于監(jiān)測巷道圍巖變形量，并在此范圍內對頂板錨索及巷旁充填體內錨桿進行隨機受力監(jiān)測，現場監(jiān)測曲線如圖4。

如圖4 所示，在巷旁充填體柔模側位置頂板下沉量最大，三個測點柔模側頂底板移近量分別為145 mm、224 mm 和149 mm，巷道兩幫變形量最大值分別為41 mm、53 mm 和39 mm，最大變形速度分別為22 mm/d、26 mm/d 和23 mm/d?？傮w來看，巷道圍巖變形量并不大，整體穩(wěn)定性較好，雖然巷旁充填體柔模側頂板下沉量較大，但并無失穩(wěn)風險，可以滿足安全生產需求。

如圖4（d）所示，在工作面推進過程中，在滯后工作面60 m 范圍內時，受工作面采動影響較大，且采空區(qū)上覆巖層正處于破斷、變形過程，因此這一時期錨桿（索）受力增大明顯；在滯后工作面60～100 m 范圍內時，隨著垮落矸石充填采空區(qū)，上覆巖層在受到采空區(qū)垮落矸石的支撐作用下逐漸趨于穩(wěn)定，同時距離工作面較遠，所受擾動影響逐漸減小，因此錨桿（索）受力增大趨勢逐漸減緩；在滯后工作面100 m 范圍以后，由于距離工作面很遠，巷道圍巖所受工作面擾動影響基本可以忽略，而且采空區(qū)上覆頂板巖層基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此巷道圍巖也逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài)，這段時期錨桿（索）受力也基本趨于穩(wěn)定。監(jiān)測結果顯示，頂板錨索受力最大值為140.3 kN，巷旁充填體錨桿受力最大值為112.4 kN，錨桿（索）工作狀態(tài)良好，無失效風險，且工作面回采過程中錨桿（索）受力變化情況與圍巖變形量及變形速率與滯后工作面距離關系基本相近。

圖4 現場監(jiān)測曲線

4 結論

通過理論分析、工程類比、數值模擬及現場試驗等方法，確定了沿空留巷的方案：在巷道頂板和非采幫地質構造帶補打錨索、巷旁充填。錨桿受力監(jiān)測結果顯示：錨桿（索）工作狀態(tài)良好，巷旁充填體無失效風險。巷道圍巖變形量監(jiān)測結果顯示：在巷旁充填體柔模側位置頂板下沉量最大，巷道圍巖整體變形量較小，整體穩(wěn)定性較好，可以滿足安全生產需求。