柏建彪，張自政，王襄禹，徐 營(yíng)，閆 帥，徐 軍

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏魯木齊 830023；3.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；5.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引 言

沿空留巷是沿本工作面采空區(qū)邊緣將回采巷道部分或完全保留下來(lái)，實(shí)現(xiàn)下工作面復(fù)用的回采巷道布置方式[1-3]。沿空留巷技術(shù)具有降低巷道掘進(jìn)率,緩解采掘接替緊張,提高煤炭采出率，消除多煤層開采煤柱區(qū)域的應(yīng)力集中效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)工作面Y型通風(fēng)，解決隅角瓦斯積聚，降低工作面溫度，改善作業(yè)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開采的重要技術(shù)途徑之一[4-6]。20世紀(jì)50年代沿空留巷在我國(guó)開始應(yīng)用，目前，我國(guó)沿空留巷主要包括充填沿空留巷和切頂沿空留巷(110工法)。其中，20世紀(jì)80年代我國(guó)大力推行綜合機(jī)械化開采和巷道錨桿支護(hù)技術(shù)后，充填沿空留巷技術(shù)開始得到應(yīng)用與發(fā)展[7-10]。21世紀(jì)10年代后，何滿潮等[11-13]提出雙向聚能張拉爆破切頂卸壓沿空留巷，逐步在部分薄及中厚煤層得到應(yīng)用與發(fā)展，但該方法在采空區(qū)防漏風(fēng)尚存一定瓶頸。

充填沿空留巷的關(guān)鍵是充填體力學(xué)參數(shù)確定和充填材料的優(yōu)選[14-17]。目前，充填沿空留巷由傳統(tǒng)的木垛、煤矸石袋、混凝土砌塊構(gòu)筑巷旁支護(hù)發(fā)展到應(yīng)用較多的高水材料[18-20]、混凝土(柔模混凝土[21-22]、鋼管混凝土[23-25]、普通混凝土[26-27])等充填材料構(gòu)筑巷旁充填體。此外，在工作面充填開采方面，張吉雄教授團(tuán)隊(duì)[28-30]開展了矸石巷旁充填沿空留巷試驗(yàn)。1990年以來(lái)，柏建彪教授團(tuán)隊(duì)在充填沿空留巷充填材料與機(jī)械化(自動(dòng)化)充填工藝、巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)等方面取得了諸多進(jìn)展[9,14,16,18,31-39]。筆者即在此基礎(chǔ)上對(duì)高水材料充填沿空留巷控制理論及技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)。

1 充填沿空留巷圍巖應(yīng)力控制機(jī)制

1.1 充填留巷圍巖變形特征

眾多的充填留巷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果[9,14,16,18,31-39]表明，充填留巷圍巖變形可以歸納出以下3個(gè)特征：①留巷圍巖變形具有顯著的長(zhǎng)時(shí)大變形特征。即留巷巷道圍巖需要經(jīng)歷巷道掘進(jìn)(Ⅰ)、工作面超前采動(dòng)影響(Ⅱ)、留巷圍巖調(diào)整穩(wěn)定(Ⅲ)和鄰近工作面復(fù)用(Ⅳ)等4個(gè)階段，留巷圍巖變形跨越時(shí)間長(zhǎng)，尤其是留巷圍巖調(diào)整階段在上覆頂板巖層運(yùn)動(dòng)破斷作用下留巷巷道圍巖呈現(xiàn)劇烈的大變形[40]。②留巷圍巖變形具有明顯的波動(dòng)特征。留巷圍巖經(jīng)歷上述多個(gè)階段的上覆頂板巖層運(yùn)動(dòng)活動(dòng)，圍巖所處應(yīng)力環(huán)境跟覆巖頂板運(yùn)動(dòng)形成的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，反映到留巷圍巖變形上呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性。③留巷圍巖變形具有明顯的非對(duì)稱特征。沿空留巷位于采空區(qū)邊緣，受上覆基本頂側(cè)向破斷影響，在留巷圍巖調(diào)整穩(wěn)定階段，實(shí)體煤幫和充填體上方頂板巖層應(yīng)力將出現(xiàn)不均衡分布，進(jìn)而實(shí)體煤幫變形和充填體變形出現(xiàn)非對(duì)稱特征[34]。無(wú)論是哪個(gè)階段的留巷圍巖變形，均是圍巖應(yīng)力作用導(dǎo)致留巷圍巖變形的結(jié)果(圖1)。

圖1 充填留巷圍巖變形特征Fig.1 Deformation characteristics of surrounding rock in retained entry with filling

1.2 充填留巷覆巖頂板運(yùn)動(dòng)特征

上述分析可以看出，充填留巷圍巖變形主要發(fā)生在工作面超前采動(dòng)影響和留巷圍巖調(diào)整階段，即留巷圍巖變形受覆巖頂板運(yùn)動(dòng)及其形成的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的制約。隨著工作面的回采和充填體的構(gòu)筑，直接頂隨采隨落，基本頂來(lái)壓形成“O-X”破斷且在工作面端頭形成弧形三角塊。沿空留巷及充填體均位于三角塊下方，弧形三角塊的運(yùn)動(dòng)破斷特征對(duì)留巷圍巖穩(wěn)定起到控制作用[40]。目前，針對(duì)充填留巷基本頂運(yùn)動(dòng)破斷存在3類觀點(diǎn)：①基本頂破斷規(guī)律不受留巷充填體的影響，主要以孫恒虎等[4]研究成果為代表；② 基本頂首先在采空區(qū)一側(cè)發(fā)生第1次破斷，后在實(shí)體煤幫一側(cè)發(fā)生第2次破斷，主要以李化敏、華心祝等[41-42]學(xué)者研究成果為代表；③基本頂首先在實(shí)體煤幫一側(cè)發(fā)生第1次破斷，后在采空區(qū)充填體一側(cè)發(fā)生第2次破斷，主要以本團(tuán)隊(duì)研究成果為代表[31-40]。

基本頂三角塊第1次破斷：位于實(shí)體煤幫上方。隨著工作面的回采和充填體的構(gòu)筑，直接頂隨采隨落，基本頂來(lái)壓形成“O-X”破斷且在工作面端頭形成弧形三角塊；構(gòu)筑初期的充填體支護(hù)阻力較小，當(dāng)弧形三角塊達(dá)到極限跨度時(shí)，基本頂三角塊在實(shí)體煤幫一側(cè)發(fā)生第1次破斷，如圖2a所示。

基本頂三角塊第2次破斷：位于采空區(qū)充填體一側(cè)上方。隨著工作面的繼續(xù)回采和充填體構(gòu)筑，當(dāng)充填體達(dá)到一定承載能力時(shí)，三角塊B在充填體外側(cè)達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度，基本頂三角塊在充填體一側(cè)發(fā)生第2次破斷，如圖2b所示?？梢?，基本頂?shù)?次破斷取決于三角塊B在采空區(qū)側(cè)的懸頂長(zhǎng)度，三角塊B及其上方軟弱巖層的重量，三角塊B下方冒落矸石的充填程度，塊體C對(duì)三角塊B的作用力和充填體的支護(hù)阻力這5個(gè)因素共同決定。

圖2 充填留巷覆巖頂板運(yùn)動(dòng)特征Fig.2 Movement characteristics of overlying strata in retained entry with filling

1.3 充填留巷圍巖應(yīng)力控制機(jī)制

充填留巷覆巖基本頂?shù)男D(zhuǎn)下沉是留巷所受外力的主要來(lái)源。根據(jù)青龍同昌煤礦15102工作面沿空留巷的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，采用數(shù)值分析軟件FLAC3D，建立相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型。數(shù)值模型長(zhǎng)×高×寬=186 m×100.4 m×360 m，模擬15102工作面長(zhǎng)120 m，充填體寬2.0 m，15102工作面軌道巷留巷后寬4.0 m，實(shí)體煤寬60 m，如圖3所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Numerical calculation model

模型計(jì)算中采空區(qū)采用雙屈服應(yīng)變硬化模型，模擬用參數(shù)見表1和表2。充填體采用應(yīng)變軟化模型，模擬用參數(shù)詳見參考文獻(xiàn)[43]。其他巖層材料采用Mohr-Coulomb模型，物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表1 雙屈服模型中的采空區(qū)材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Table 1 Stress-strain relationship of goaf material in double yield model

表2 FLAC3D中采空區(qū)材料主要力學(xué)參數(shù)Table 2 Main mechanical parameters of goaf materials with FLAC3D

表3 模擬巖層力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters for numerical model

15102工作面軌道巷沿空留巷期間圍巖應(yīng)力分布主要可以分為3個(gè)階段：①工作面超前采動(dòng)支承應(yīng)力作用區(qū)(工作面前方0～20 m)；②工作面后方留巷圍巖調(diào)整滯后支承應(yīng)力作用階段(工作面后方0～110 m)；③沿空留巷圍巖變形穩(wěn)定階段(工作面后方110 m以后)。留巷過(guò)程中圍巖的應(yīng)力變化如圖4所示。

由圖4可知，15102工作面軌道巷留巷期間圍巖應(yīng)力有以下分布規(guī)律：

圖4 留巷過(guò)程中圍巖應(yīng)力變化Fig.4 Stress variation of surrounding rock during roadway retention

1)在15102工作面回采超前支承壓力的影響下，15102工作面軌道巷工作面前方14 m處為支承壓力峰值點(diǎn)，達(dá)到11.7 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.25。充填體應(yīng)力在工作面后方5 m時(shí)，應(yīng)力為4.5 MPa，在工作面后方50 m時(shí)為5.3 MPa，在后方70 m以后為5.5 MPa，上覆巖層活動(dòng)穩(wěn)定后，充填體應(yīng)力不再發(fā)生變化，并與實(shí)體煤幫、巷內(nèi)支護(hù)共同維護(hù)上覆巖層的平衡。

2)隨著充填體構(gòu)筑，留巷巷道頂板上方峰值垂直應(yīng)力基本上出現(xiàn)在基本頂巖層與更上位巖層交界處，在工作面后方0～50 m增長(zhǎng)較快(4.92 MPa 增加到9.05 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)從1增加到1.85)；留巷巷道上方直接頂均處于應(yīng)力降低區(qū)，且拉應(yīng)力作用高度隨著留巷基本頂巖層旋轉(zhuǎn)逐漸增大；充填體上方直接頂均處于應(yīng)力降低區(qū)，且應(yīng)力降低區(qū)高度隨著留巷基本頂巖層旋轉(zhuǎn)逐漸增大。

3)隨著上覆巖層垮落，留巷巷道實(shí)體煤幫的垂直應(yīng)力在工作面后方0～50 m增長(zhǎng)較快(9.64 MPa增加到14.15 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)從1.85增加到2.72)，實(shí)體煤幫垂直應(yīng)力峰值位置由距巷道表面10 m處逐漸轉(zhuǎn)移至距巷道表面13.2 m處。工作面后方110 m以后實(shí)體煤幫峰值垂直應(yīng)力穩(wěn)定在16.35 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.14，峰值垂直應(yīng)力距巷道表面13.2 m左右；隨著滯后工作面距離增大，留巷巷道實(shí)體煤幫與頂板肩角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中范圍逐漸增大。

因此，從留巷圍巖應(yīng)力來(lái)源和應(yīng)力控制思想出發(fā)，一方面在留巷圍巖調(diào)整穩(wěn)定(III)階段，通過(guò)應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)等方法避免采空區(qū)側(cè)基本頂巖層長(zhǎng)期懸頂，即通過(guò)減小三角塊B在采空區(qū)側(cè)的懸頂長(zhǎng)度降低留巷圍巖受力；另一方面，通過(guò)圍巖強(qiáng)化技術(shù)等方法延緩基本頂巖層在實(shí)體煤幫上方破斷，即通過(guò)整體強(qiáng)化實(shí)體煤幫承載支撐能力向煤幫深部轉(zhuǎn)移高集中應(yīng)力。

2 高水材料充填沿空留巷圍巖強(qiáng)化機(jī)理

2.1 高水材料力學(xué)特性

高水材料是一種能在高水灰比(質(zhì)量比)條件(1.3∶1～3∶1)下快速凝結(jié)的特種水泥，是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)承擔(dān)的國(guó)家“七五”“八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目的研究成果，分甲料、乙料2部分，按質(zhì)量比1∶1的比例配合使用。甲料、乙料單獨(dú)與水混合24 h不凝結(jié)，而甲料漿和乙料漿一旦相互混合則快速凝結(jié)硬化。與一般的水泥類材料相比，高水材料具有以下主要特征：①高水灰比條件下結(jié)石率100%；②凝結(jié)時(shí)間短，早期強(qiáng)度高并可調(diào)；③塑性好，凝結(jié)體單軸加壓應(yīng)變達(dá)0.15時(shí)，其殘余強(qiáng)度還能維持在峰值強(qiáng)度的50%以上。圖5為不同水灰比條件下28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后高水材料固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度曲線和水灰比1.5∶1條件下7 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后高水材料固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度曲線。可見，高水材料充填體呈現(xiàn)明顯的塑性變形特征，強(qiáng)度衰減比較緩慢，可以維持較高的殘余強(qiáng)度。

圖5 高水材料力學(xué)特性Fig.5 Mechanical properties of high water materials

2.2 高水材料充填沿空留巷圍巖分時(shí)分區(qū)強(qiáng)化機(jī)理

圖6是留巷期間15102工作面軌道巷圍巖塑性區(qū)演化分布。

由圖6可知，15102工作面軌道巷留巷期間圍巖塑性區(qū)有以下分布規(guī)律：

圖6 留巷過(guò)程中圍巖塑性區(qū)分布Fig.6 Plastic zone distribution of surrounding rock during roadway retention

1)在超前支承壓力的影響下，實(shí)體煤幫(巷道右側(cè))及工作面采煤幫(巷道左側(cè))破壞深度分別達(dá)到了11.5 m和7 m，破壞類型主要為剪切破壞，巷道底板淺部和巷道上方直接頂以拉剪混合破壞為主。

2)在充填體構(gòu)筑后，圍巖產(chǎn)生大范圍的剪切破壞，滯后工作面90 m時(shí)實(shí)體煤幫的剪切破壞深度達(dá)13 m，頂板的破壞深度達(dá)3 m，且充填體發(fā)生強(qiáng)烈的剪切破壞?？梢钥闯?，充填體處于峰后塑性承載狀態(tài)。

因此，15102工作面軌道巷高水充填沿空留巷頂板存在3個(gè)穩(wěn)定性較差的區(qū)域，如圖7所示，為留巷圍巖控制的薄弱環(huán)節(jié)：①充填體上方頂板離層區(qū)。受充填體切頂阻力作用和采空區(qū)上覆巖層載荷作用，頂板垮落出現(xiàn)離層，充填區(qū)域頂板的穩(wěn)定同時(shí)影響覆巖載荷和充填體支護(hù)阻力的傳遞。②留巷上方頂板拉破壞區(qū)。在沿空留巷頂板深部存在一個(gè)傾斜的拉破壞區(qū)，拉破壞方式是一種極易誘發(fā)圍巖失穩(wěn)的破壞方式，且在此區(qū)域，頂板下沉量和水平位移大，當(dāng)支護(hù)系統(tǒng)不能有效地減小甚至消除此區(qū)域的拉應(yīng)力時(shí)，頂板極易在頂板離層和變形而形成的張拉應(yīng)力作用下失穩(wěn)。③實(shí)體煤上方剪切破壞區(qū)。當(dāng)圍巖發(fā)生剪切破壞后即由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，圍巖應(yīng)力集中且主應(yīng)力差較大，在頂板巖層應(yīng)力調(diào)整、巖層運(yùn)動(dòng)和巷道實(shí)體煤幫承載的共同作用下，在煤柱幫肩角上方存在一個(gè)剪切破壞區(qū)。

圖7 高水充填留巷圍巖分區(qū)特征Fig.7 Surrounding rock zoning characteristics of retained entry with high water materials

因此，從留巷圍巖分區(qū)特征和圍巖強(qiáng)化的思想出發(fā)，高水充填留巷圍巖分時(shí)分區(qū)強(qiáng)化機(jī)制有以下3方面：

1)針對(duì)充填體上方頂板離層區(qū)，在工作面液壓支架移架前(階段II)采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)形成的有效壓應(yīng)力區(qū)，控制其剪切破壞和離層；同時(shí)，移架后(階段III前期)充填區(qū)域架設(shè)高剛度臨時(shí)支護(hù)延緩該區(qū)域頂板下沉。

2)針對(duì)留巷上方頂板拉破壞區(qū)，掘進(jìn)時(shí)期(階段I)采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，在淺部頂板形成有效壓應(yīng)力區(qū)，減小巷道頂板拉破壞范圍和深度；針對(duì)留巷上方頂板離層區(qū)，掘進(jìn)時(shí)期(階段I)采用高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，提高直接頂與基本頂層間結(jié)合力和抗彎剛度。

3)針對(duì)實(shí)體煤上方剪切破壞區(qū)，提高實(shí)體煤幫承載性能，即提高實(shí)體煤幫支護(hù)強(qiáng)度，限制煤幫深部煤體位移，可以在實(shí)體煤幫(非采煤幫)通過(guò)短錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)提高實(shí)體煤幫整體支護(hù)強(qiáng)度和承載能力。

3 高水材料充填沿空留巷圍巖控制關(guān)鍵參數(shù)

高水材料充填沿空留巷圍巖控制關(guān)鍵參數(shù)主要包括充填體支護(hù)阻力(充填體寬度和強(qiáng)度)、頂板支護(hù)強(qiáng)度(巷內(nèi)支護(hù)和臨時(shí)支護(hù))、實(shí)體煤幫支護(hù)強(qiáng)度。

3.1 充填體支護(hù)阻力(充填體寬度和強(qiáng)度)

已有工程實(shí)踐和研究表明充填體在留巷階段Ⅲ前期快速增阻及時(shí)支撐直接頂并延緩該區(qū)域頂板離層和淺部裂隙向深部發(fā)育，在留巷階段Ⅲ達(dá)到設(shè)計(jì)支護(hù)阻力后切斷上方一定高度頂板(通常為基本頂)后同時(shí)支撐直接頂和基本頂。因此，確定合理的充填體支護(hù)阻力對(duì)于沿空留巷成功實(shí)施尤為重要。

目前常見的充填體支護(hù)阻力理論計(jì)算方法有英國(guó)學(xué)者SMART[44]基于傾斜巖梁理論提出的“分離巖塊法”，孫恒虎等[4]提出在沿空留巷不同階段基于疊加層板彎曲破壞的“頂板載荷條帶分割法”，郭育光和柏建彪等[9,14]提出的基于切斷頂板垮落矸石充填效應(yīng)的“分層切頂法”、華心祝等[17]提出的考慮煤幫支撐作用及巷旁錨索加強(qiáng)作用的頂板載荷條帶分割法、陳勇[40]基于弧形三角塊與巷旁充填體相互作用關(guān)系提出的“基本頂二次破斷力學(xué)模型”、李迎富等[45-46]基于基本頂關(guān)鍵三角塊R-S穩(wěn)定判別提出的充填體支護(hù)阻力計(jì)算法等。實(shí)際上，無(wú)論上述哪一種計(jì)算方法都表明充填體支護(hù)阻力在沿空留巷圍巖調(diào)整劇烈階段即基本頂沿采空區(qū)一側(cè)發(fā)生破斷時(shí)是最大的。以筆者團(tuán)隊(duì)常用的基于切斷頂板垮落矸石充填效應(yīng)的“分層切頂法”為例，切斷基本頂巖層所需的充填體支護(hù)阻力Pq可以按照下式計(jì)算[14]：

(1)

式中：ΔSC為基本頂被切斷時(shí)采空區(qū)端的下沉量，可根據(jù)頂板破斷尺寸關(guān)系計(jì)算確定；TC為采空區(qū)垮落矸石對(duì)基本頂?shù)乃酵屏Γ沪翞槊簩觾A角；c為留巷寬度；d為充填體寬度；e為基本頂塊體在采空區(qū)側(cè)長(zhǎng)度；h為基本頂厚度；L為基本頂周期來(lái)壓；ML為基本頂巖層的極限彎矩；q為基本頂及其上部軟弱巖層單位長(zhǎng)度的自重；q0為直接頂單位長(zhǎng)度自重；ΔS為基本頂垮落前充填體端的下沉量，一般取0.1 m；x0和σy分別為實(shí)體煤幫塑性區(qū)寬度和支承壓力，可采用極限平衡理論計(jì)算獲取[14]。

3.2 頂板支護(hù)強(qiáng)度(巷內(nèi)支護(hù)和臨時(shí)支護(hù))

唐建新[47]、韓昌良[48]、周保精[49]和筆者團(tuán)隊(duì)均針對(duì)沿空留巷巷內(nèi)區(qū)域或充填區(qū)域頂板離層開展了諸多研究，結(jié)果表明：控制沿空留巷頂板離層變形需要在掘進(jìn)期間或工作面超前采動(dòng)影響區(qū)域以外首先采用高強(qiáng)度錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，在留巷圍巖調(diào)整期間(階段III)巷內(nèi)采用輔助加強(qiáng)支護(hù)，在留巷充填體構(gòu)筑前后充填區(qū)域采用錨索加強(qiáng)支護(hù)或充填支架臨時(shí)支護(hù)。以本項(xiàng)目組研究成果說(shuō)明，留巷頂板不同位置的離層計(jì)算可以參考下式計(jì)算[33]。

(2)

3.3 實(shí)體煤幫支護(hù)強(qiáng)度

留巷實(shí)體煤幫常因過(guò)量變形導(dǎo)致錨網(wǎng)索支護(hù)錨固失效而片幫。因此，必須給實(shí)體煤幫施加足夠的側(cè)向支護(hù)阻力，抑制淺部煤體松動(dòng)及松動(dòng)后的擠出，盡可能地阻止實(shí)體煤幫的擴(kuò)容變形，防止錨固體失效，錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)實(shí)體煤幫的支護(hù)強(qiáng)度σL可由式(3)來(lái)確定[40]。

(3)

式中：σ0為錨固范圍內(nèi)實(shí)體煤幫平均載荷；f0為頂?shù)装迮c煤層之間的摩擦因數(shù)；Lm為實(shí)體煤幫內(nèi)錨桿(索)最大錨固長(zhǎng)度；M為煤層厚度；φr為煤層殘余摩擦角。

4 工程案例

4.1 青龍同昌煤業(yè)沿空留巷

4.1.1工程地質(zhì)條件

青龍同昌煤業(yè)位于山西省高平市三甲鎮(zhèn)姬家山村，主采沁水煤田9號(hào)和15號(hào)煤層。15號(hào)煤層厚度2.41～4.73 m，平均3.5 m，煤層傾角5°～10°，煤層普氏系數(shù)1～2，平均埋深210 m。直接頂板為泥巖或無(wú)直接頂板(0～2.8 m)，基本頂為K2、K3灰?guī)r(K2厚6.8～8.6 m、K3厚3.5～5.0 m)，底板為泥巖或含黃鐵礦泥巖，局部為粉砂質(zhì)泥巖，15號(hào)煤層煤塵無(wú)爆炸性，屬于Ⅱ級(jí)自燃煤層，為低瓦斯礦井。15102工作面為15號(hào)煤層首采面，位于在9號(hào)煤層采空區(qū)下方(垂直距離39 m)，沿煤層走向布置，傾向長(zhǎng)度180 m，走向回采長(zhǎng)度650 m。15102工作面采用沿空留巷后，調(diào)整為“Y型”通風(fēng)系統(tǒng)，在15102軌道巷進(jìn)行沿空留巷，軌道巷沿煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面4.5 m×3.2 m(寬×高)，留巷斷面4 m×3.2 m(寬×高)，15102工作面軌道巷采用錨網(wǎng)梁+錨索聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如下：

1)頂板錨桿型號(hào)為?20 mm -M22-2 400 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 200 mm。煤柱幫錨桿型號(hào)為?20 mm -M22-2 400 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距850 mm×1 000 mm。靠近巷幫的底板錨桿與垂直線夾角為10°，其余與巷道幫垂直，錨桿錨固力100 kN。回采面?zhèn)?內(nèi))幫采用玻璃鋼錨桿支護(hù)，間排距1 000 mm×1 200 mm。

2)網(wǎng)片采用10號(hào)鉛絲編制的菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm；鋼筋梯梁用于軌道巷頂板和側(cè)外幫，采用14號(hào)圓鋼焊接而成，寬度60 mm。

3)頂板錨索：采用?17.8 mm×7 300 mm鋼鉸線，錨索間排距為1 800 mm×2 400 mm，錨索預(yù)拉力250 kN。

4.1.2充填體構(gòu)筑與加固

通過(guò)計(jì)算確定基本頂垮落時(shí)所需要的充填體支護(hù)阻力為14.41 MN/m，采用水灰比為1.5∶1.0的高水材料構(gòu)筑充填體，確定充填體寬2 m，其中0.5 m置于巷內(nèi)1.5 m置于采空區(qū)。每天充填一次，充填長(zhǎng)度3.6 m，充填體內(nèi)置長(zhǎng)度2.2 m直徑22 mm的HRB400螺紋鋼對(duì)拉錨桿，間排距為900 mm×800 mm。

為保持充填區(qū)域范圍內(nèi)的頂板完整性，需要進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。當(dāng)頂板條件好，比較完整，拉架后每排用3根單體液壓支柱臨時(shí)支護(hù)，其間排距1 000 mm×800 mm，每排單體液壓支柱距離巷道采煤幫邊緣的距離為0、1 000、2 000 mm；如果頂板有裂隙破碎，在架前鋪網(wǎng)，鋪網(wǎng)面積為15102軌道巷采煤幫邊緣至擋矸支架，拉架后用單體液壓支柱及時(shí)支護(hù)頂板；如果鋪網(wǎng)、單體液壓支柱仍然不能控制待充填區(qū)域頂板，則需要在架后補(bǔ)打錨桿，在鋪網(wǎng)、打單體液壓支柱的基礎(chǔ)上架后每排打設(shè)3根?20 mm×2 000 mm的錨桿，每排錨桿距離留巷巷道采煤幫的邊緣為0、1 000、2 000 mm，間排距1 000 mm×800 mm，每排采用規(guī)格為?14 mm鋼筋梯子梁護(hù)頂。

4.1.3巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)

工作面前方20 m范圍內(nèi)超前支護(hù)采用2排DW38-250/110X型單體液壓柱配合鉸接頂梁。2排單體液壓柱間距1.8 m，距離工作面?zhèn)? m，距離留巷幫1.7 m，柱與柱間距1.2 m。因留巷巷道底板留煤，所有單體液壓支柱必須“穿鞋帶帽”。

工作面后方200 m范圍內(nèi)采用3排單體液壓支柱“穿鞋”支護(hù)頂板，柱距為1 000 mm，距充填體距離分別為1 000、2 000、3 000 mm。

我關(guān)之林是個(gè)俗女子，俗不可耐，所以，我愛錢。我這個(gè)人就是這樣，很現(xiàn)實(shí)。我從來(lái)不遮掩自己的目標(biāo)，對(duì)金錢的渴望，對(duì)豪華闊綽的向往。我夢(mèng)想床罩被單都是紅晃晃的人民幣拼湊而成的，枕頭里塞的不是棉絮，而是金鏈金耳環(huán)鉆石戒指；我夢(mèng)想住的是山頂別墅，出門是法拉利，傭人保鏢們對(duì)我畢恭畢敬。本姑娘我一高興，纖纖玉指從隨身攜帶的小包里掏出一疊人民幣，眼睛不眨地打賞他們。

4.1.4堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂

為避免堅(jiān)硬頂板沿空留巷時(shí)出現(xiàn)頂板動(dòng)力災(zāi)害，通常需要對(duì)頂板采取一定控制措施，常用深孔預(yù)裂聚能爆破。15102工作面軌道巷鉆孔角度與鉛垂線夾角為30°，切縫深度確定為10 m，鉆孔間距500 mm。切縫孔直徑52 mm，鉆孔距離充填體側(cè)200 mm。正向裝藥，每節(jié)聚能管裝入直徑35 mm、長(zhǎng)200 mm藥卷8支，每孔裝入4節(jié)聚能管，在每節(jié)聚能管最后一卷藥上安設(shè)好一發(fā)雷管，將腳線引出，然后用炮泥堵好聚能管口，封泥長(zhǎng)度3.0 m。

15號(hào)煤層工作面留巷效果良好，15號(hào)煤留巷效果如圖8所示。圍巖累計(jì)變形量中兩幫移近量為321.4 mm，頂?shù)装逡平繛?13.5 mm。其中，頂板下沉量205.2 mm，底鼓408.4 mm，充填體幫移近量100 mm，實(shí)體煤幫移近量221.4 mm。

圖8 15號(hào)煤高水充填留巷效果Fig.8 In-situ effect of retained entry with high water materials in No.15 coal seam

4.2 趙莊煤業(yè)沿空留巷

4.2.1工程地質(zhì)條件

趙莊煤業(yè)位于山西省高平市，9303工作面可采走向長(zhǎng)795 m，工作面面長(zhǎng)平均為151 m，工作面循環(huán)進(jìn)度為0.6 m，推進(jìn)速度約為7.2 m/d。開采9號(hào)煤層，煤層厚1.34～1.70 m，平均厚1.5 m，傾角一般為5°～10°；9303工作面地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，為較穩(wěn)定的大部可采煤層，煤質(zhì)中硬，節(jié)理發(fā)育，層理一般。9號(hào)煤層為低瓦斯煤層，煤塵無(wú)爆炸危險(xiǎn)性，煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，屬于自燃煤層。直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度5.30 m；基本頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度11.78 m。直接底多為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.5 m；基本底為石灰?guī)r，平均厚度1.4 m。沿空留巷實(shí)施地點(diǎn)為9303工作面回風(fēng)巷，該巷道埋深255～275 m，掘進(jìn)斷面為寬×高=4 700 mm×2 500 mm，沿煤層底板掘進(jìn)。采用錨網(wǎng)梁+錨索聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如下：

1)頂板每排采用5根MSGLW-335/20/2000左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距1 000 mm×1 200 mm，配?6.0 mm冷拔絲鋼筋網(wǎng)支護(hù)，頂錨桿錨固力不小于100 kN；頂板采用?15.24 mm×6 300 mm錨索作補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，三花布置，每排打2根錨索時(shí)，間排距為2 400 mm×3 600 mm，錨索垂直頂板打設(shè)，錨索預(yù)緊力不小于200 kN。

2)兩幫每排采用3根MTS235-42/18/2000可回收脹套錨桿，錨桿間排距1 000 mm×1 200 mm，兩幫均采用塑料經(jīng)緯網(wǎng)支護(hù)，幫錨桿錨固力不小于60 kN。

4.2.2充填體構(gòu)筑與加固

割煤后先推刮板輸送機(jī)，在端頭4架液壓支架架前鋪設(shè)聚酯纖維網(wǎng)，然后移支架，支架后方打設(shè)2排W20-300/100X臨時(shí)單體液壓支柱，柱距900 mm，排距1 000 mm，充填區(qū)域上方頂板每排2根錨桿或1根短錨索間隔打設(shè)(當(dāng)頂板不好維護(hù)時(shí)在架前打設(shè))，錨桿型號(hào)?20 mm×1 800 mm，錨桿間排距800×1 200 mm，靠巷道側(cè)錨桿距離一次采煤幫300 mm，錨桿外斜10°打設(shè)；錨索型號(hào)?17.8 mm×3 300 mm，錨索間距1 200 mm，距離一次采煤幫600 mm，錨索外斜15°打設(shè)。

4.1.3巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)

超前工作面120 m范圍外頂板采用補(bǔ)打錨索方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，錨索型號(hào)?17.8 mm×6 300 mm，每排2根，其中一根位于巷道正中，另一根距離9303回風(fēng)巷一次采煤幫500 mm，間排距1 850 mm×3 600 mm；實(shí)體煤幫重新鋪設(shè)10號(hào)鉛絲編制的菱形金屬網(wǎng)，采用補(bǔ)打錨桿方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，在原2排錨桿之間補(bǔ)打1排3根?20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 200 mm，上面一根錨桿距頂板200 mm，下面一根錨桿距底板300 mm。

工作面后方100 m范圍內(nèi)采用3排DW28-300/100X單體液壓支柱穿鞋支護(hù)頂板，柱距為1 000 mm，距充填體距離分別為600、1 800和3 600 mm。

9號(hào)煤層工作面留巷效果良好，留巷效果如圖9所示。圍巖累計(jì)變形量?jī)蓭鸵平繛?10 mm，頂?shù)装逡平繛?35 mm。

圖9 9號(hào)煤高水充填留巷效果Fig.9 In-situ effect of retained entry with high water materials in No.9 coal seam

5 結(jié) 論

1)充填體支護(hù)阻力是充填沿空留巷關(guān)鍵參數(shù)之一，選擇具有較強(qiáng)塑性變形特性的高水材料能夠滿足沿空留巷圍巖調(diào)整階段高應(yīng)力作用。

2)應(yīng)力控制和圍巖強(qiáng)化是實(shí)現(xiàn)充填留巷圍巖穩(wěn)定的2個(gè)重要技術(shù)途徑。降低基本頂及高位厚硬頂板懸頂有利于降低沿空留巷圍巖應(yīng)力，適當(dāng)?shù)姆謺r(shí)分區(qū)圍巖強(qiáng)化可以有效提高留巷圍巖整體承載能力和抗變形能力。

3)不同地質(zhì)條件下的高水充填沿空留巷工程實(shí)例表明通過(guò)設(shè)計(jì)合理的充填體支護(hù)阻力、頂板支護(hù)強(qiáng)度和實(shí)體煤幫支護(hù)強(qiáng)度，高水充填沿空留巷實(shí)施效果良好。

6 展 望

我國(guó)煤礦開采呈現(xiàn)復(fù)雜多樣性特征，煤層賦存條件差異性大，不同地域開采技術(shù)水平發(fā)展很不均衡，推廣應(yīng)用高水沿空留巷技術(shù)面臨不同的挑戰(zhàn)。隨著煤礦開采趨于深部開采、智能化開采、綠色化開采，高水材料充填沿空留巷技術(shù)發(fā)展方向主要有以下4方面，以進(jìn)一步擴(kuò)大高水材料充填沿空留巷技術(shù)在無(wú)煤柱開采方面的應(yīng)用場(chǎng)景。

1)高水材料力學(xué)改性。加強(qiáng)高水材料摻和物選取設(shè)計(jì)，即在不改變高水材料流動(dòng)特性的基礎(chǔ)上通過(guò)添加摻和物提高高水材料固結(jié)體的后期強(qiáng)度以適應(yīng)深井留巷和大采高強(qiáng)礦壓留巷。

2)加強(qiáng)支護(hù)機(jī)械化。采用高水材料沿空留巷流程中，目前巷內(nèi)滯后加強(qiáng)支護(hù)和采空區(qū)加強(qiáng)支護(hù)等環(huán)節(jié)還存在較多的人工作業(yè)環(huán)節(jié)，需開發(fā)合適的巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)支架(避免破壞巷內(nèi)原有的錨網(wǎng)支護(hù)構(gòu)件)和采空區(qū)側(cè)擋矸充填支架。

3)智能化設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)。針對(duì)不同生產(chǎn)地質(zhì)條件下的高水材料充填沿空留巷，相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)尚未形成信息化、智能化設(shè)計(jì)，應(yīng)繼續(xù)深入研究不同條件下高水材料充填留巷關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)的共性基礎(chǔ)理論，為充填參數(shù)和支護(hù)參數(shù)選取設(shè)計(jì)提供合理科學(xué)的理論依據(jù)。

4)從全國(guó)范圍看，東部礦井埋深較大，深井留巷礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、變形大，擴(kuò)修穩(wěn)定性差，留巷復(fù)用困難，尚需進(jìn)一步深入研究高地壓大變形條件下的留巷圍巖穩(wěn)定規(guī)律和配套技術(shù)；西部礦區(qū)煤炭開采條件好，優(yōu)質(zhì)煤種儲(chǔ)量豐富，留設(shè)大煤柱導(dǎo)致資源浪費(fèi)現(xiàn)象十分普遍，應(yīng)結(jié)合厚煤層、特厚煤層開采技術(shù)和頂煤穩(wěn)定控制技術(shù)研究西部大斷面高效快速沿空留巷技術(shù)，推動(dòng)無(wú)煤柱連續(xù)開采，保障煤炭資源的高采出率。