薄煤层巷旁高水充填沿空留巷技术研究

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[摘 要]沿空留巷是维护在工作面后方的采空区边缘巷道，即在工作面回采过程中，通过有效的巷旁充填和巷内支护技术，将原巷道保留下来，作为邻近工作面的一条巷道使用，但是由于沿空留巷的巷道受工作面采动影响而引起的矿压显现要比用煤柱维护的巷道矿压显现强烈的多，在巷道维护时比较困难，因此巷旁充填体性能和巷内支护手段是沿空留巷技术的重点和难点，该文主要介绍了薄煤层巷旁高水充填技术研究，为今后薄煤层矿井巷旁沿空留巷开采提供可靠依据。

[关键词]薄煤层；巷旁；沿空留巷；技术研究

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）21-0059-01

1 沿空留巷的意义

薄煤层工作面回采巷道为半煤岩巷，巷道掘进手段没有多大的变化，仍以打眼放炮、人工装煤为主，掘进速度慢，造成薄煤层综采工作面接替紧张，为了缓解采掘接替紧张的局面和提高煤炭资源采出率，为薄煤层的高产高效提供技术支撑和指导作用，开展沿空留巷技术的应用与发展具有重要战略意义。

2 巷旁充填体作用机理

巷旁支护体控制巷道顶板、维护巷道，关键是要有足够的支护强度及适量的可缩量，足够的支护强度能够及时切落采空区侧足够高度的顶板岩层，使更上位岩层得到采空区冒落矸石及侧向煤体支撑，同时，适量的可缩量满足巷旁支护体服从岩层的旋转下沉，防止在顶板岩层旋转下沉时破坏巷旁支护体，实现控顶载荷向侧向煤体及采空区冒落矸石转移。因此，沿空留巷巷旁支护的作用机理为：

1.巷旁支护体应具有早期强度高、增阻速度快的力学特性，紧随工作面构筑，及时支护直接顶，控制巷道围岩变形，与巷内支护共同作用，确保巷道内直接顶不破碎、避免与上部基本顶离层，并切断采空区侧的直接顶，减小巷旁支护体所承受的载荷。

2.回采面的推进，必然引起基本顶破断、失稳、剧烈沉降，在基本顶破断时巷旁支护体的支护阻力应达到切顶阻力，切断采空区侧基本顶，减小巷旁支护体载荷。

3.巷道围岩运动稳定后，巷旁支护体具有的支护阻力为后期支护阻力，其大小应能够维持巷道上方已切断岩层的平衡，同时将巷道顶板下沉量控制在设计范围内，一般后期支护阻力小于切顶阻力。

根据北宿煤矿薄煤层1873工作面顶板岩层情况、公式计算和以往的实践，当采高1.0m时，巷旁支护体宽度1.2m、充填体抗压强度8MPa能满足沿空留巷的要求，本研究确定采用高水充填材料净浆充填。

3 高水速凝材料及其沿空留巷技术简介

3.1 高水速凝材料简介

高水速凝材料是一种能在高水灰比条件（W/C=1.3：1～3：1）下快速凝结的特种水泥。该材料以硫铝酸盐水泥熟料为基料，加入石膏、石灰、复合缓凝剂、悬浮剂、复合速凝剂等配制而成，为了使用方便，高水速凝材料分甲料、乙料两部分，按1：1的比例配合使用。甲料、乙料单独与水混合24h不凝结，为避免管路堵塞和一定条件下不冲洗管路创造了条件，而甲料浆和乙料浆一旦相互混合则快速凝结硬化。

3.1.1 抗压强度与水灰比的关系

高水速凝材料抗压强度与水灰比的大小成反比关系，水灰比越小，强度就越高，每立方米充填需要使用的高水速凝材料越多，水用量越少，充填凝固体的强度就越高，反之，水灰比越大，每立方米充填需要使用的高水速凝材料越少，水用量越多，充填凝固体的强度就越低，在水灰比W/C=0.5：1～0.75：1左右，这是普通水泥混凝土经常使用的水灰比范围，高水速凝材料抗压强度可达到30～50MPa以上。根据高水速凝材料与水灰比的关系，调节水灰比改变充填体抗压强度可以满足多种强度要求的工程需要。

3.1.2 高水速凝材料的变形性能

高水速凝材料具有突出的塑性特征，在载荷达到峰值强度后，高水速凝材料并不立即完全破坏丧失承载能力，而是随着应变的进一步加大，承载能力呈缓慢下降趋势，承载能力随应变增加缓慢下降的速度远小于一般的混凝土和岩石材料。该水灰比的高水速凝材料峰值抗压强度为10.36MPa，当应变达到10%时，其抗压强度还维持在峰值强度的65%以上，应变继续增加达到18%，残余抗压强度为峰值的59%左右。因此，高水速凝材料巷旁支护体呈现明显的塑性特征，在压力作用下可以允许产生较大的塑性变形，强度衰减比较缓慢，可以维持较高的残余强度。

4 试验巷道围岩控制效果

4.1 矿压观测内容及观测方法

为了观测两顺槽在本工作面留巷期间和二次采动影响期间的围岩活动规律，考察巷道围岩变形和充填体的变形，研究支护参数的合理性，在沿空留巷过程中设置相应的测站，对围岩表面位移、围岩深部位移、顶板离层状况、充填体载荷及围岩应力变化进行观测。

4.2 工作面后方巷道围岩变形情况

测站表面位移距离工作面越近变形量和变形速度越大，随着工作面向前推进，巷道表面变形量和变形速度逐渐降低。工作面后方巷内围岩变形分3个阶段，即①变形速度增加区，②变形速度降低区，③变形速度稳定区。在开始时，随着工作面推进，工作面上方顶板岩层不断的回转、下沉破坏，留巷采空区一侧的基本顶在自重和充填体所产生的切顶阻力作用下被切落，巷道围岩变形明显，工作面后方60m范围内巷道围岩变形较为剧烈，在距工作面-30m附近达到最大，顶底板最大移近速度为6.25mm/d，两帮最大移近速度为4.75mm/d。

随着工作面的继续推进，巷道围岩支承压力影响范围扩大，压力峰值向煤体深部转移，巷道围岩变形速度明显降低。在工作面后方120m以外巷道围岩变形速度趋于稳定，围岩平均变形速度在1mm/d以下。巷道围岩变形主要以底鼓为主，由于底板采取开放式处理方式，没有支护，部分区段底臌严重，充填体插入煤层底板较深，煤帮表现明显的蠕变特性。总体来说，巷内采用高强度锚杆支护强化围岩，配合有效的巷旁支护，控制住了沿空留巷期间围岩的剧烈变形。

5 结论

（1）得到了北宿煤矿17层工作面沿空留巷的矿压显现规律。受回采工作面超前支承压力的影响，工作面前方40m处的巷道围岩开始有变形，到35m处时，巷道围岩变形稍有增加，顶底板移近速度为1mm/d，在工作面前方20～40m的范围内，顶底移近速度约为1.3mm/d，而在工作面前方0～20m的范围内，移近速度约为3.4mm/d。工作面后方60m范围内巷道围岩变形较为剧烈，在工作面后方30m附近达到最大，顶底板最大移近速度为6.25mm/d，两帮最大移近速度为4.75mm/d，工作面后方60～120m，巷道围岩变形速度明显降低，工作面后方120m以外巷道围岩变形速度趋于稳定，围岩平均变形速度在1mm/d以下。

（2）根据工作面上覆岩层结构特点、井下施工条件，提出采用早期强度大、增阻速度快、具有一定的可缩量和较高的残余强度的高水材料构筑巷旁充填体，能够很好的适应顶板的变形，保证巷旁充填体的稳定；结合数值模拟和理论分析，确定高水材料巷旁支护体水灰比为1.5：1，两顺槽充填体宽度为1.2m。

（3）提出了采用对拉锚杆、钢筋网、钢筋梯子梁提高巷旁充填体的稳定性。

（4）结合工作面沿空留巷的现场情况，提出了使用单体液压支柱、π型梁作为沿空留巷的临时支护方式，确定了试验巷道顶板的补强支护方案，确保沿空留巷在下一工作面回采过程中的正常使用。

参考文献：

[1] 钱鸣高，石五平.矿山压力与岩城控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.