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沿空留巷矿压显现及合理加固技术研究应用摘要：通过对集美煤矿C2405工作面充填开采条件下沿空留巷矿压显现规律及变形破坏特点的研究，提出巷内超前二次支护、巷旁充填体实时内部加固和巷旁充填体滞后外部加固，确定合理的支护工艺和支护时机，确保了沿空留巷的可靠性和适用性。关键词：沿空留巷；巷旁支护；巷内支护；支护时机沿空留巷技术是无煤柱开采技术的一大发展方向，它是在工作面后方维护采空区边缘巷道，即在工作面回采过程中，通过有效的巷旁支护和巷内支护技术，将本工作面的回采巷道保留下来，作为邻近工作面的一条回采巷道使用。但随着工作面的推进，巷道受二次采动及顶板下沉影响，原有巷道支护形式难以满足安全生产的要求，因此需要研究分析沿空巷道在回采期间的矿压显现及变形破坏规律，以便通过合理的支护技术和支护时机，达到控制巷道变形、改善巷道维护状况的目的。一、工程概况1、地质概况C2405充填工作面位于四采区，西为C2401工作面（已采），东为2401工作面（已采），北为实体煤，南至F44断层；工作面标高-494~-512.4m，地面标高+32.7m~+35.8m；工作面地面位置位于老城北关以北，城厢乡以南，永城市解放路横跨工作面，地表有邻路民房，其余为大量良田。工作面煤层厚度最大3.38m，最小2.13m，平均3.05m，煤岩类型以光亮型为主。直接顶主要为泥岩，平均厚度4.07m，深灰色，含植物化石碎片，裂隙中淋滤有黄铁矿膜；基本顶主要为砂质泥岩，平均厚度5.05m，深灰色，厚层块状，含植物化石碎片，局部砂质成分较高；直接底为泥岩，平均厚度1.51m，灰黑色，含大量炭质，植物化石碎片较多。2、巷道基本支护42004400≥75°325≥75°≥75°Φ20×2200mm高强锚杆Φ16×1800mm锚杆Φ18×2200mm锚杆16007507507507507508008008002800～35002900～3600325图1一次支护巷内基本支护是指掘进期间的一次支护，包括顶板支护和帮部支护。顶板采用锚网带支护，锚杆为Φ20×2200mm的高强锚杆，钢带为4200mm长W钢带，金属网为1000×2000mm型平焊网，锚杆间排距为750×800mm；煤柱侧帮部采用锚网梯支护，帮部锚杆选用Φ18×2200mm普通树脂锚杆，锚杆间排距为800×800mm，矩形布置，从煤壁向外依次采用4000×1400mm的双抗网、1000×2000mm的平焊网、竖向钢筋梯（用Φ16mm的钢筋焊接而成)及150×150×8mm的铁托盘支护。3、充填留巷工艺C2405工作面采用走向长壁后退式采煤方法，一次采全高，采用充填法处理采空区，充填工艺为“超高水材料阻隔式充填”，该充填工艺通过将超高水材料浆液充入被隔离的半开放式采空区内，以提高充填量、减小空顶面积，控制顶板下沉。超高水充填材料主要由两种主料和两种外加剂组成，主料包括A料、B料，外加剂包括AA料、BB料。A料以铝土矿、石膏等独立炼制而成，B料由石膏、石灰等混磨成主料，AA料和BB料分别起着复合超缓凝分散剂、复合速凝剂的作用。超高水材料A、B单浆液可持续数小时不凝固，混合后浆液可快速发生反应并凝结硬化，调整外加剂配方可改变凝结时间及材料性能等。根据充填工艺特点及充填材料性质，为节省设备及材料投入，避免过多的留巷工序，选用超高水材料同时作为巷旁充填材料和采空区充填材料。二、沿空留巷矿压显现随着工作面向前推进，液压支架不断前移，工作面顶板逐渐失去实体煤、充填液压支架的支撑，开始缩小与充填体间的原始空顶距离，充填体逐渐被压实并承受上覆岩层压力。由于采动影响和围岩应力的重新分布，沿空巷道内应力状态发生改变，伪顶或破碎直接顶冒落后，直接顶（基本顶）出现回转下沉变形，直至压实老塘内充填体。通过在沿空巷道内设置测点和离层仪，观测沿空巷道在回采、留设期间的矿压显现规律，具体观测结果见图1。（a）顶底板移近量观测（b）离层量观测图1留巷矿压观测1、留巷矿压显现特征1）起始沉降期工作面前方15～18m处，受超前压力影响，煤层上覆岩层开始出现下沉运动，巷道掘进后达成的平衡状态遭到破坏，煤柱承受的顶板压力明显大于原岩应力，但顶板压力较为平缓、沉降速度很小，巷道整体变形量较小；工作面充填支架后方10m范围内，对着充填支架后尾梁对顶板支护作用的的脱离，充填体与顶板间原始空顶空间平缓的逐渐缩小，初期多为破碎伪顶或直接顶的局部垮落。2）强烈沉降期工作面后方10～30m处，顶板岩层出现剧烈下沉，下沉速度较大。充填体与顶板间原始空顶空间由外向里逐渐消失，堆积在充填体上方的垮落破碎矸石由松散状态逐渐压实，充填体承受的顶板来压逐渐增大。当来压剧烈，充填体凝结反应不完全、未达到可靠抗压强度时，充填体受压力作用易产生开裂、片帮等现象。3）沉降衰减期工作面后方30～50m处，随着垮落破碎矸石的压实和充填体支撑力的不断增大，上覆岩层的沉降速度日益衰减，煤柱侧巷帮的承载力、充填体的承载力与支承压力逐渐趋于平衡状态；工作面后方60～80m处，顶板下沉速度趋于平缓，但顶底板移近量逐渐接近最大值，采空区底板的压力逐渐恢复到原始应力状态。2、留巷加固点与加固时机1）巷内加固巷内加固即二次补强支护，包括顶板加固和煤柱帮加固：①沿空巷道顶板的稳定性和完整性是确保围岩稳定的关键。锚杆提供轴向力与切向力，提高不连续面抗剪强度，阻止离层与滑动，提高结构面强度，提高节理煤岩体整体强度、完整性与稳定性；锚索可将锚杆支护形成的次生承载结构与深部围岩相连，提高次生承载结构的稳定性，同时充分调动深部围岩的承载能力，使更大范围内的岩体共同承载，并通过施加较大的预紧力，挤紧和压密岩层中的层理、节理裂隙等不连续面，增加不连续面之间的抗剪力，从而提高围岩的整体强度。②煤柱帮是沿空留巷围岩的主要承载体，是顶板回转下沉的支点，其破碎、松散与变形必将导致围岩变形加大，顶板回转下沉的支点内移。顶板下沉量加大后，实体煤壁的有效支护将对沿空留巷围岩的稳定起到很大作用，可有效减小应力集中向围岩的深部转移，减少顶板下沉量。为确保巷内支护的有效性，提高沿空留巷效果，应在巷道受到采动影响前对其进行加强支护，根据留巷矿压显现规律，巷内加固的最佳时机为工作面前方18m外，即超前距离外沉降起始前进行。2）巷旁加固巷旁加固即对巷旁充填体进行加固，包括充填体内部加固和外部加固：①充填体内部加固主要是增加巷旁充填体的抗压强度。由于超高水材料抗压强度较低（水体积比为95%时，抗压强度小于1.5MPa），为有效限制巷道顶板下沉、支承顶板载荷，避免巷道严重变形，需对沿空留巷巷旁充填体进行加固，以提高抗压强度，避免巷旁充填体可缩量过大甚至遭到压裂破坏。根据超高水材料充填工艺特点，充填体内部加固应在采空区充填之前进行，即充填前在巷旁充填体位置打设木垛，充填后木垛与巷旁充填体形成一个统一承载体，互为补充，提高整体抗压强度。②充填体外部加固主要是使巷旁充填体处于三向受力状态，增大充填体材料的摩擦角、内聚力、剪切面和交界面正应力，减小剪切面和滑移面剪应力，较理想地控制巷旁充填体压剪破坏、滑移破坏，从而增强其稳定性同时也起到密闭采空区的作用。根据留巷矿压显现规律，为避免巷道经历强烈沉降期时，充填体留巷侧加固受到顶板旋转给定变形的影响而严重失稳变形，甚至丧失支护能力，应在顶板下沉速度趋于平缓、顶底板移近量逐渐接近最大值的沉降衰减期进行加固，即工作面后方60～80m外。三、沿空留巷加固工艺1、巷内加固1600mm1600mm图3顶板二次补强支护顶板加固：垂直于巷道方向，在顶板中部采用3.2m长29U型钢锚索梁进行顶板加固，一梁三索，与顶板钢带错开布置，排距1.6m。锚索规格为Φ21.6×8000mm，两边锚索距梁端200mm，梁端距煤柱侧、回采侧煤壁均为500mm。800mm800mm图4煤柱帮二次补强支护煤柱帮加固：采用锚索、高强锚杆配合钢筋梯、铁托盘进行加固。钢筋梯横向布置、连续搭接，分别布置于帮部上、下部两排锚杆中间位置，锚索与高强锚杆布置间距800mm；在巷帮中部布置一排单锚索，锚索间距1600mm。锚索规格Φ18.9×4800mm，钢筋梯处锚索托盘规格250mm×250mm×20mm，单锚索托盘规格400mm×400mm×20mm；高强锚杆规格Φ20×2400mm，锚杆托盘规格200mm×200mm×10mm；横向钢筋梯由Φ20mm圆钢加工焊接而成。2、巷旁加固C2405胶带顺槽里段1#2#3#4#≤200mm200±100mm图5充填体内部加固充填体内部加固：充填前打设在工作面2#、3#充填支架后顶梁下方打设木垛。木垛采用原杂木垂直打设，每铺设2根2.4～3.0m倾向长原杂木后，再铺设3根1.2～1.5m走向短原杂木；每层原杂木两端与上下邻近层原杂木侧边缘间距离为200±100mm，中间1根走向短原杂木倾向居中布置；木垛与侧挡浆板间距离为200±100mm，距支架后挡浆板≤200mm，打设位置底板不平整处用矸石、废料或木垫板垫平；木垛上方距支架后顶梁下边缘不大于150mm，上部至少四层原杂木用连网绳绑扎牢靠、避免晃动。图6充填体外部加固充填体外部加固：充填外部加固，即是对留巷外帮进行封闭式加固，采用双工字钢棚腿+钢筋网+喷浆的方式进行加固。双工字钢棚腿采用两根工字钢棚腿沿纵轴腰线方向并排紧靠并用三副卡箍固定而成（工字钢棚腿采用3m长11#工字钢加工而成，上端焊接带孔铁托盘），棚腿间距约为800mm，棚腿里侧挂1层钢筋网，最后对巷帮进行喷浆处理，喷浆以封闭里侧工字钢为准。四、总结根据沿空巷道顶板支护情况和上覆岩层活动机理，确定巷内直接顶、煤柱帮和巷旁充填体为沿空留巷的重点加固点，通过现场观测数据分析总结、矿压显现规律的掌握，确定沿空留巷不同支护部位的不同最佳加固时间点，并通过现场实验论证，最终确定了沿空留巷加固工艺，确保了集美煤矿C2405工作面的安全顺利回采及C2405胶带顺槽沿空留巷工艺的可靠性和适用性，使沿空巷道能够满足下一工作面安全生产需要，节省了巷道掘进费用、提高煤炭资源采出率。