任立峰

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)申南凹焦煤有限公司，山西 臨汾 042105）

沿空留巷技術(shù)是提高煤炭資源回收率、緩解采掘接替緊張的有效措施[1-4]，通過在采空區(qū)邊緣充填膏體材料、高水材料或超高水材料等漿體結(jié)合合理的支護(hù)手段，實(shí)現(xiàn)少掘巷道及取消區(qū)段煤柱的目的。本文以申南凹煤礦為工程背景，對(duì)柔模沿空留巷技術(shù)進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

申南凹煤礦目前主采2#煤層平均厚度4.2 m，結(jié)構(gòu)較簡單，含1～3 層夾矸。2#煤層偽頂為0.95 m的泥巖，直接頂為3.5 m 的粉砂巖，基本頂為4.05 m 的細(xì)砂巖，直接底為1.25 m 的泥巖，基本底為3.7 m 的中砂巖。

原設(shè)計(jì)留設(shè)30 m 的區(qū)段煤柱，浪費(fèi)大量的煤炭資源。因此，提出采用柔模沿空留巷技術(shù)提高煤炭資源回收率。

2 柔模沿空留巷技術(shù)研究

2.1 柔模充填體寬度設(shè)計(jì)

通過充分調(diào)研周邊地質(zhì)條件相近礦井，柔模體寬度一般為0.5～1.5 m 范圍內(nèi)，依據(jù)申南凹煤礦2#煤層賦存條件，借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)柔模充填體寬度為0.7 m、1.0 m 及1.3 m 時(shí)，留巷變形情況進(jìn)行分析，煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

模型長×寬×高=400 m×300 m×80 m，前、后、左、右、下表面均施加約束，上表面施加12.3 MPa 垂直荷載，巷道斷面寬×高=4.5 m×3.5 m。不同寬度柔模充填體巷道圍巖變形量如圖1。

圖1 不同寬度柔模充填體巷道圍巖變形量

如圖1 所示，當(dāng)柔模充填寬度為0.7 m 時(shí)，巷道頂板下沉量最大值為140 mm，底鼓量最大值為50 mm，巷道實(shí)體煤側(cè)變形量最大值為50 mm，柔模充填體豎直位移約100 mm，水平位移較小，僅為15 mm。巷道頂板錨桿（索）變形量較大，其中錨索最大變形量為140 mm，錨桿最大變形量為100 mm，此時(shí)支護(hù)較為穩(wěn)定，但由于錨桿（索）變形量大，存在一定的安全隱患。當(dāng)柔模充填寬度為1.0 m 時(shí)，巷道頂板下沉量最大值為75 mm，底鼓量最大值為25 mm，巷道兩幫變形量最大值為35 mm，巷道頂板錨桿（索）變形量也明顯減小，支護(hù)效果明顯改善，巷道圍巖穩(wěn)定性明顯提升。當(dāng)柔模充填寬度為1.3 m 時(shí)，巷道頂板下沉量最大值為70 mm，底鼓量最大值為20 mm，巷道兩幫變形量最大值為30 mm，巷道頂板錨桿（索）變形量也有一定的減小，此時(shí)巷道圍巖穩(wěn)定，支護(hù)效果良好。

柔模充填體寬度為0.7 m、1.0 m 及1.3 m 三種工況條件下，巷道圍巖應(yīng)力值及變形量如圖2。

圖2 不同寬度柔模充填體巷道圍巖應(yīng)力值及變形量

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，柔模充填體寬度由0.7 m增大到1.0 m 時(shí)，巷道圍巖變形量、錨桿（索）變形量及巷道圍巖應(yīng)力值都明顯改善，支護(hù)效果顯著提升；而當(dāng)柔模充填體寬度由1.0 m 增加到1.3 m 時(shí)，巷道圍巖變形量、錨桿（索）變形量及巷道圍巖應(yīng)力值改善并不明顯。雖然柔模充填體寬度為1.3 m時(shí)，巷道圍巖穩(wěn)定性更好，但是柔模充填體寬度為1.0 m 時(shí)，巷道圍巖穩(wěn)定性已經(jīng)可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求。綜合考慮現(xiàn)場工程量、勞動(dòng)強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)成本等，確定合理的柔模充填體寬度為1.0 m。

2.2 柔模充填體支護(hù)設(shè)計(jì)

綜合考慮材料運(yùn)輸、強(qiáng)度及充填成本，結(jié)合周邊礦井的工程經(jīng)驗(yàn)，確定使用C30 混凝土作為充填材料?？紤]到C30 混凝土良好的可塑性及可泵性，在充填初始階段存在一定的坍落度，為防止柔模充填體發(fā)生橫向變形，需要對(duì)柔模充填體施加水平約束。如圖3 所示，在柔模充填體內(nèi)布置規(guī)格為Ф22 mm×1100 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm。

圖3 柔模充填體巷幫支護(hù)（mm）

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 柔模沿空留巷施工工藝

柔模沿空留巷技術(shù)主要可分為三個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)：1）在地面準(zhǔn)備充填材料（包括充填混凝土及雙層高強(qiáng)度布制成的柔模）；2）將充填材料運(yùn)至回采工作面；3）現(xiàn)場澆筑柔模充填體。在充填材料澆筑前，將準(zhǔn)備好的柔模懸掛在指定位置并用螺紋鋼錨桿將其固定，以免注漿時(shí)柔模位置發(fā)生變化。柔模固定好后，即可注入攪拌好的混凝土漿液。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測

在申南凹煤礦20108 工作面進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，將20108 運(yùn)輸巷采用柔模沿空留巷技術(shù)保留下來作為20110 回風(fēng)巷使用。按照前述分析結(jié)果，柔模充填體寬度設(shè)計(jì)為1.0 m。沿空留巷技術(shù)最重要的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)就是所留巷道圍巖變形量能否滿足安全生產(chǎn)需求，為驗(yàn)證柔模沿空留巷技術(shù)的留巷效果，對(duì)20108 運(yùn)輸巷巷道圍巖變形量進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，在20108 運(yùn)輸巷每隔50 m 布置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，共布置3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其中1#監(jiān)測點(diǎn)布置在距離開切眼30 m位置?，F(xiàn)場監(jiān)測曲線如圖4。

圖4 巷道圍巖變形量監(jiān)測曲線

如圖4 所示，三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)巷道圍巖變形量變化趨勢相似。在工作面回采過程中，巷道圍巖變形量不斷增大，直到監(jiān)測點(diǎn)距離工作面80 m范圍以外時(shí)，巷道圍巖逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)巷道圍巖穩(wěn)定后，1#監(jiān)測點(diǎn)兩幫移近量最大值為38 mm，副幫側(cè)頂?shù)装逡平孔畲笾禐?9 mm，巷中頂?shù)装逡平孔畲笾禐?09 mm，柔模側(cè)頂?shù)装逡平孔畲笾禐?41 mm；2#監(jiān)測點(diǎn)兩幫移近量最大值為55 mm，副幫側(cè)頂?shù)装逡平孔畲笾禐?2 mm，巷中頂?shù)装逡平孔畲笾禐?51 mm，柔模側(cè)頂?shù)装逡平孔畲笾禐?25 mm；3#監(jiān)測點(diǎn)兩幫移近量最大值為36 mm，副幫側(cè)頂?shù)装逡平孔畲笾禐?1 mm，巷中頂?shù)装逡平孔畲笾禐?12 mm，柔模側(cè)頂?shù)装逡平孔畲笾禐?45 mm?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，柔模充填體位置巷道頂?shù)装逡平孔畲?，主要表現(xiàn)為頂板下沉，最大變形量為225 mm，巷道兩幫移近量最大值為55 mm。整體來看巷道圍巖變形量并不大，可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

1）申南凹煤礦主采2#煤層合理的柔模充填體寬度為1.0 m；

2）充填材料選用C30 混凝土，為防止柔模充填體發(fā)生橫向變形，在柔模充填體內(nèi)布置規(guī)格為Ф22 mm×1100 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；

3）采用柔模沿空留巷技術(shù)所留巷道，頂板下沉量最大位置為柔模充填體位置，頂板最大下沉量為225 mm，兩幫移近量最大值為55 mm，巷道整體變形量不大，可以滿足巷道復(fù)用的要求。