厚煤层巷旁充填围岩控制技术研究

秦 伟

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046000）

在我国井工开采矿井中，特别对于高瓦斯煤层，需要足够的新鲜风流通过巷道进入工作面，为此采用“两进一回”通风方式[1-2]。而且随着煤炭资源不断枯竭，对其回收率提升变得尤为重要，故提出巷道巷旁充填的方式进行回采[3-5]。同时考虑到工作面不断回采推进产生的采动应力场，不可避免地造成巷道围岩破坏。因此，沿空留巷巷道内锚杆索支护方法以及柔模墙的强度是否可以较好控制巷道变形量，成为矿井安全生产的关键。

1 工程背景

霍尔辛赫煤矿位于山西省长治市南鲍村北，矿井主要开采3#煤层，煤层底板标高409～433m，煤层倾角1°～16°，平均6°。煤层结构简单，煤层平均厚度为5m，普氏硬度为0.37～1。3#煤层之上依次为3.3m 泥岩、2.5m 的细粒砂岩；3#煤层之下依次为0.7m 泥岩、2m 砂质泥岩、1.5m 细粒砂岩、7m 泥岩。3308 工作面走向长445m，倾斜长250m，采用后退式综采一次采全高开采方式。

3308 工作面和3309 工作面相邻布置，3308 工作面布置有三条巷道，采用“两进一回”的通风方式，保证足量的新鲜风流，如图1 所示。随着3308工作面的回采，在3308 运输巷道采空区侧采用巷旁充填留巷的方式为3309 工作面开采提供保障。3308 运输巷为矩形断面，巷道断面（宽×高）为6.0×4.5m，采用锚杆索支护，如图2 所示。顶板采用Ф22mm×2.4m 左旋无纵肋螺纹钢锚杆，间排距950mm×1000mm，配Ф16mm、长度5900mm 钢带。采用Ф22mm×7300mm 锚索，顶板每排布置3 根，间排距为2000m×2000m。巷道顶板采用金属网片规格为50×50mm。巷帮采用Ф22mm×2.4m 左旋无纵肋螺纹钢锚杆，间排距为1000mm×1000mm，配W 钢带、金属网。

图1 工作面布置图

图2 3308 运输巷道支护方案

考虑到采掘衔接紧张的问题，3308 运输巷道采用巷旁充填技术，为接续工作面3309 留设巷道，待3308 工作面推过一定距离后及时采用挡矸支架沿切缝线挡矸，浇筑柔模混凝土墙体隔绝采空区，保证3308 运输巷道稳定性。

2 巷旁充填技术

沿空留巷要保证3308 运输巷道（宽×高）为4500mm×4500mm， 如 图3 所 示。3308 运输巷道采空区侧巷帮充填支护采用C30 柔模混凝土浇筑墙体，浇筑混凝土墙（宽× 高）为1500mm×4500mm。

图3 3308 运输巷道巷旁充填支护方案

巷旁充填体是由柔性模板和内锚杆组成，形成封闭的三维空间，如图4 所示。其中墙体内采用Φ20×1800mm 的螺纹钢锚栓，两侧采用双托板双螺母固定。锚杆的间排距为750×600mm。螺栓两端有高强度板、球形和尼龙垫圈。混凝土材料由42.5R 普通硅酸盐水泥、沙子、碎石、专用外加剂和水组成，混凝土具体比例见表1。

表1 C30 混凝土中各组分比例

当3308 回采过程中，随着开采空间的形成，煤层顶板发生运移变化，其侧向直接顶垮落，但是不足以充满开采空间，造成基本顶发生回转下沉。此时基本顶弧形三角块体B 在动静载荷的作用下对3308 运输巷道围岩产生挤压破坏，巷旁充填体能够起到较好支撑作用，减缓基本顶弧形三角块体B 旋转角度，最终达到3308 沿空留巷巷道变形量少、保证采掘衔接正常的目的。

基于此，建立3308 运输巷道巷旁充填体强度的力学模型，通过对巷道顶板特性和围岩变形的分析，计算巷道顶板的强度。根据图4，可以得到力学模型的变形协调方程：

图4 3308 工作面力学模型图

式中：

h1-煤层底板至基本顶与采空区矸石接触点的距离，m；

a-沿空留巷巷道的宽度，m；

c-巷旁充填体的宽度，m；

l1-基本顶弧形三角块体断裂线位置至充填体的距离，m；

l-基本顶弧形三角块体的长度，m；

k-采空区矸石碎胀系数。

则直接顶和巷旁充填体之间的竖向应力为：

式中：

Eb-巷旁充填体的弹性模量；

Ed-煤层顶板弹性模量。

根据3308 工作面的生产条件实际情况，可得到以下参数：h= 15.75m，h1= 8.2m，m=5m，k=1.05，a=4.5m，c=1.5m，b=4.5m， △b=1.5m，Ed=25GPa，Eb= 0.5GPa，l=23m。由于基本顶的断裂线位置在采空区附近，故关键块l1=0m。

将上述参数代入式（5），直接顶与充填体之间的竖向应力为23.6MPa。因此，充填体的强度大于23.6MPa，能保证3308 运输巷道围岩稳定性。

3 留巷效果

对3308 运输巷道围岩变形量进行监测，分别监测滞后3308 工作面300～200m 的顶底板移近量以及两帮移近量情况，如图5 所示。在200～245m 区间内，顶底板变形量急剧上升到98mm；在246～300m区间内，巷道变形量缓慢增加，最终保持在115mm左右。充填体变形量：在200～225m 区间内，变形量升高到17mm；在226～300m 区间内，巷道变形量基本保持不变。实体煤侧变形量：在200～238m区间内，变形量43mm，在239～300m 区间内，巷道变形量缓慢增加，最终达到50mm 左右。

图5 沿空留巷巷道围岩变形量