黃華

（山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

沿空留巷因能夠減少煤柱損失、降低巷道掘進(jìn)率、減少礦井開采成本，目前在我國煤礦井下開采中應(yīng)用比較廣泛[1-2]。在沿空留巷技術(shù)中，傳統(tǒng)的巷旁支護(hù)大多采用的是膏體混泥土充填方式，而該充填支護(hù)方式存在施工工藝工序復(fù)雜、留巷支護(hù)效果差、巷道頂?shù)装遄冃瘟看蟮葐栴}[3-4]。為此，本文以山西晉神能源有限公司沙坪煤礦9203工作面沿空留巷為工程背景，提出高水材料巷旁充填支護(hù)技術(shù)?，F(xiàn)場應(yīng)用實踐結(jié)果表明，該充填支護(hù)方式能夠有效解決上述問題，為類似條件下綜采工作面沿空留巷巷旁充填支護(hù)提供參考。

1 概 況

沙坪煤礦9203工作面位于井下9號煤層南翼采區(qū)，工作面地面標(biāo)高+1 012—+1 139 m，煤層底板標(biāo)高+876.0—+882.2 m。9203工作面輔運順槽設(shè)計長度為1 491 m，矩形斷面，沿底掘進(jìn)，掘進(jìn)寬度5.9 m，掘進(jìn)高度3.7 m，掘進(jìn)斷面積21.83 m2。巷道煤層厚度3.3～5.1 m，結(jié)構(gòu)簡單，煤層夾矸為1層，巖性為炭質(zhì)泥巖，厚度為0.1～0.2 m。9203工作面在回采過程中將其輔運順槽進(jìn)行留巷作為9202工作面回風(fēng)順槽，留巷段長度約1 062 m。9203工作面通風(fēng)方式原為U型通風(fēng)，沿空留巷后調(diào)整為兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)。留巷基本方式為在采動影響區(qū)域外采用補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)—超前工作面切頂卸壓—工作面移架前提前掛網(wǎng)—在工作面推進(jìn)后采用擋矸架進(jìn)行擋矸支護(hù)—靠近采空區(qū)側(cè)澆筑充填墻體—采用單元架進(jìn)行滯后加強(qiáng)支護(hù)。工作面布置如圖1所示。

圖1 9203工作面平面布置示意Fig.1 Layout of No.9203 Face

2 巷旁充填體作用機(jī)理及充填支護(hù)參數(shù)計算

2.1 巷旁充填體作用機(jī)理

根據(jù)工作面采空區(qū)周圍覆巖移動變化規(guī)律，工作面沿空留巷時巷道圍巖承載的應(yīng)力載荷與巷道支護(hù)方式有關(guān)。通常情況下，在工作面回采后方20～40 m留巷巷道圍巖承載的支撐壓力較大，巷道圍巖會出現(xiàn)加速變形。當(dāng)工作面出現(xiàn)周期來壓時，其后方采空區(qū)內(nèi)的頂板巖層大致表現(xiàn)為弧形三角板失穩(wěn)狀態(tài)[5-6]，在此期間，留巷內(nèi)的巷道支護(hù)體因承載壓力增大而發(fā)生較大變形現(xiàn)象，為此在工作面進(jìn)行沿空留巷時，需重點對工作面后方20～40 m的巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

沿空留巷巷旁充填支護(hù)的主要作用是控制留巷巷道圍巖的變形量，維持巷道穩(wěn)定性。因此，巷旁支護(hù)體必須達(dá)到足夠的支護(hù)強(qiáng)度，以確保能夠?qū)ぷ髅娌煽諈^(qū)上方的頂板及巷道采空區(qū)側(cè)垮落的矸石起到一定的支撐作用，同時支護(hù)體還應(yīng)具備一定的抗壓變形能力，以確保頂板圍巖在發(fā)生旋轉(zhuǎn)下沉?xí)r，保護(hù)支護(hù)體，將頂板產(chǎn)生的載荷作用力向工作面采空區(qū)一側(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

2.2 支護(hù)體支護(hù)參數(shù)計算

通常是在考慮巷道頂板達(dá)到極限狀態(tài)條件下，來設(shè)計計算沿空留巷支護(hù)體支護(hù)相關(guān)參數(shù)，即將煤層頂板承壓達(dá)到危險狀態(tài)條件時，巷道斷面作為截面，以此建立彈性基礎(chǔ)梁計算模型。隨著采煤工作面不斷向前回采推進(jìn)，巷道頂板控頂范圍不斷增大，造成下位基本頂發(fā)生破斷、失穩(wěn)現(xiàn)象。沿空留巷巷旁支護(hù)體提供的支撐阻力應(yīng)能夠使基本頂沿著支護(hù)體側(cè)的彎矩達(dá)到極限值，從而使基本頂從巷旁支護(hù)體側(cè)發(fā)生破斷[7-8]。巷旁支護(hù)體與工作面巷道頂板之間相互作用形成的力學(xué)關(guān)系模型如圖2所示。

9203工作面近水平煤層，輔運順槽巷道沿煤層底板掘進(jìn)，計劃留巷長度1 062 m，在巷旁支護(hù)體切頂板巖層前，支護(hù)體對AC段塊體支撐力為零，沿巖層方向受到的推力TC按公式（1）計算。

式中：α為煤層傾角，取0；L為AC段巖體長度，取順槽寬度5.9 m；q為AC段巖體單位長度達(dá)到的自身重力，取26 kN/m3；h為AC段巖體的厚度，取平均值6.3 m；SC為AC段巖體被剪切破斷時C端產(chǎn)生的下沉量，取0。

沿空留巷下側(cè)煤體支承壓力y和應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度x0計算式為：

式中：C0、φ0分別為煤層與其頂板和底板巖層交界面之間產(chǎn)生的粘聚力和內(nèi)摩擦角，分別取1.35 MPa和20°；P x為實體煤側(cè)煤體支護(hù)阻力，取0.1 MPa；A為巷道產(chǎn)生的側(cè)壓系數(shù)，取0.4；M為工作面采高，取4.5 m；H為開采深度，取163 m；γ為工作面上覆巖層平均容重，取26 kN/m3；k為應(yīng)力集中系數(shù)，取2。

采用平衡法分別對AB段巖體和BC段巖體建立力學(xué)方程，求得切頂阻力為：

式中：c為留巷寬度，取4.5 m；d為巷旁支護(hù)體寬度，取1.5 m；Pq為切頂阻力；M0為A端基本頂?shù)臍堄鄰澗兀籷0為工作面煤層直接頂單位長度自重；ML為基本頂巖層的極限彎矩；SB為工作面基本頂在跨落前B端達(dá)到的下沉量。

SB可用公式（5）計算：

e為BC段巖體長度，其數(shù)值可用公式（6）計算：

式中：b為工作面基本頂初次來壓步距，取20 m；Lm為工作面切巷長度，取276 m。

據(jù)此計算可得9203工作面輔運順槽充填體的切頂阻力為15.6 MN/m?，F(xiàn)場施工時，水灰比1.5∶1時，充填體平均強(qiáng)度10 MPa，則所需的充填體寬度理論計算值為1.56 m；水灰比0.8∶1時，充填體平均強(qiáng)度16 MPa，則所需的充填體寬度理論計算值為0.975 m；水灰比0.6∶1時，充填體平均強(qiáng)度22 MPa，則所需的充填體寬度理論計算值為0.7 m。

根據(jù)9203工作面輔運順槽頂板巖層情況，考慮安全系數(shù)，初步確定巷旁充填體寬度為1.5 m，高度為3.7 m，留巷后巷道寬度為4.5 m，充填墻體1.5 m置于輔運順槽。

3 充填系統(tǒng)及充填施工工藝

3.1 高水材料

高水材料是由甲料和乙料兩部分組成，按照1∶1或0.8∶1進(jìn)行配比使用，在輸送過程中分別對甲、乙料進(jìn)行加水?dāng)嚢?，在充填點混合。在單獨對甲料和乙料進(jìn)行攪拌及輸送過程中，2種材料均未出現(xiàn)凝固，當(dāng)甲、乙料混合在一起后能夠快速產(chǎn)生凝固。通過改變添加水量或外加劑配方，調(diào)節(jié)高水材料混合凝結(jié)后形成的固結(jié)體抗壓強(qiáng)度，當(dāng)高水材料配比的水灰比越小，在充填加固時形成的充填體強(qiáng)度就越高。在水灰比相同條件下，凝固時間越長，固結(jié)體強(qiáng)度越高，一般在凝固7 d后固結(jié)體基本達(dá)到終凝強(qiáng)度。

9203工作面輔運順槽高水材料充填體為密閉結(jié)構(gòu)，寬度4.0 m，高度3.7 m，厚度1.5 m。礦壓顯現(xiàn)正常段，高水材料水灰比為1.5∶1，7 d后充填體材料抗壓強(qiáng)度約為10 MPa；礦壓顯現(xiàn)異常段，高水材料水灰比為0.8∶1，7 d后充填體材料達(dá)到的抗壓強(qiáng)度約為16 MPa。

3.2 充填系統(tǒng)及施工工藝

3.2.1 充填系統(tǒng)

根據(jù)高水材料的性能特征，結(jié)合其具體使用方法，先將甲、乙材料使用專用配制系統(tǒng)調(diào)配成漿液，再利用雙液泵將2種漿液分別通過管路輸送至需要充填的區(qū)域，在輸送到充填區(qū)域前將其進(jìn)行混合，在進(jìn)入充填區(qū)域后混合的漿液凝固后形成充填體。高水材料充填系統(tǒng)主要由制漿系統(tǒng)、輸送混合系統(tǒng)和充填系統(tǒng)3部分構(gòu)成。制漿系統(tǒng)由甲、乙2條生產(chǎn)線組成，其布置方式基本相同，配制完成的單料漿分別放入相應(yīng)的攪拌桶。輸送混合系統(tǒng)主要由雙液泵、輸送管路和混合器組成。當(dāng)漿液制備完成后，開啟雙液泵，漿液通過輸送管路進(jìn)入到待充填區(qū)域附近的混合器中，混合器將漿液充分混合后，通過混合管輸送到充填區(qū)域內(nèi)。充填注漿系統(tǒng)設(shè)備配置如圖3所示。

圖3 注漿設(shè)備配置示意Fig.3 Grouting equipment configuration

3.2.2 充填工藝

沿空留巷起始位置位于9202工作面開切眼處，9203工作面推采到距9202工作面開切眼10 m處時，開始在架前鋪設(shè)金屬網(wǎng)。推采至距9202工作面開切眼5 m處，支設(shè)柔性模板，如圖4所示。

圖4 9203工作面沿空留巷起始位置充填體示意Fig.4 Starting position of gob-side entry retaining in No.9203 Face

（1）距9202工作面開切眼約15 m處，將擋矸支架拉到預(yù)定位置；距9202工作面開切眼10 m處時，開始在架前鋪設(shè)金屬網(wǎng)。

（2）當(dāng)液壓支架后方頂板維護(hù)正常時，沿充填空間區(qū)域架設(shè)2垛木垛，距9202工作面開切眼約9 m。

（3）推采到距9202工作面開切眼5 m位置處，沿煤柱內(nèi)掏槽，掏槽深度約0.5 m，寬度2.0 m，開始垂直于巷道走向施工第1模充填體，充填體厚度為1.8 m，長度為3.0 m，緊貼掏槽施工。

（4）繼續(xù)施工第2模橫向充填體，充填體厚度為1.8 m，長度為超過順向充填體位置即可。

（5）隨工作面推進(jìn)，沿走向施工寬為1.5 m，長度為4.0 m的充填體，巷內(nèi)加強(qiáng)頂?shù)装逯ёo(hù)，開始正常施工沿空留巷充填體。

4 應(yīng)用效果分析

為觀測留巷巷道圍巖及充填體變形情況，自9203輔助運輸巷留巷開始前30 m位置布置第1個觀測站，在留巷過程中在巷道內(nèi)每間隔50 m布置1個觀測站，采用“十”字觀測法、頂?shù)装咫x層儀和液壓枕對巷道頂圍巖變形量和充填體載荷進(jìn)行觀測。根據(jù)所布置的觀測站，選取較為典型的1號觀測站采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如圖5和圖6所示曲線圖。

圖5 留巷巷道圍巖變形曲線Fig.5 Deformation curve of gob-side entry retaining

圖6 充填體載荷變化曲線Fig.6 Deformation curve of filling body load

根據(jù)巷道圍巖位移變化曲線，分析可知工作面沿空留巷內(nèi)，巷道圍巖變形可以分為3個階段：①留巷距工作面0～20 m，巷道圍巖變形量較??；②在距工作面20～100 m，巷道圍巖產(chǎn)生明顯變形，其中實體煤側(cè)頂?shù)装逡平孔畲筮_(dá)到590 mm，充填體側(cè)頂?shù)装逡平孔畲筮_(dá)到800 mm，兩幫移近量最大達(dá)到560 mm，巷道圍巖移近速率均表現(xiàn)為先增大后逐漸減小直至趨近于零；③在距工作面100 m以后，留巷巷道圍巖變形量極小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)充填體載荷監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知：①在留巷進(jìn)入工作面后方0～40 m，充填體承載的載荷明顯增大，最大值達(dá)到10.5 MPa，基本和充填體的最終凝固后的強(qiáng)度一致；②在距工作面40～80 m，充填體載荷變化逐漸減小，達(dá)到7.5 MPa左右；③在距工作面80 m以后，充填體承載的載荷基本趨于平緩。

5 結(jié) 語

沿空留巷巷旁支護(hù)有多種方式，其中利用高水材料進(jìn)行充填支護(hù)就是其中一種。通過對巷旁支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計算，確定了高水材料水灰比及充填體的體積和強(qiáng)度，為現(xiàn)場施工提供了理論指導(dǎo)。現(xiàn)場應(yīng)用實踐表明，利用高水充填材料形成的充填體進(jìn)行巷旁支護(hù)，留巷巷道圍巖變形量能夠得到有效控制，充填體強(qiáng)度能夠滿足巷道頂板載荷的支撐作用，留巷效果達(dá)到設(shè)計要求。高水材料的成功應(yīng)用為類似條件下工作面沿空留巷巷旁支護(hù)提供了一定技術(shù)參考，具有較大的推廣應(yīng)用價值。