A090201 沿空留巷围岩控制技术研究

1、沿空留巷围岩控制技术研究柏建彪【中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 矿业工程学院，江苏 徐州 221008】摘 要 分析沿空留巷顶板破断垮落特征，建立了巷旁充填沿空留巷的力学模型，提出了巷旁支护体主要参数的确定方法。分析沿空留巷巷内支护特点，介绍沿空留巷锚杆支护技术，并将研究结果应用于工程实践。关键词 巷旁充填 沿空留巷 巷旁支护 巷内支护 锚杆支护-沿空留巷从空间上使巷道处于开采后应力重新分布的低应力区，但从时间上无法避免采动支承应力重新分布过程中的剧烈作用，巷道需要经受两次采动影响，矿压显现强烈，巷道维护难度大。但沿空留巷具有煤炭回收率高、回采工作面衔接合理、巷道掘进率低、掘进

2、排矸少的优点，尤其是煤巷掘进速度仅为80100m/月的煤与瓦斯突出煤层，采用沿空留巷可以解决采掘接替紧张难题、为区域性瓦斯治理提供场地、节省了时间。因而，沿空留巷一直是煤炭开采技术的重要发展方向1。1 传统的巷旁支护技术沿空留巷的关键是沿空一侧巷旁支护体的材料和性能的选择，要求增阻速度快，并具有合理的支护阻力能切落一定高度的顶板，具有较大的变形量适应沿空留巷剧烈变形，同时希望巷旁支护成本低廉，这些特性推动着巷旁支护技术的发展2,3。按力学特性可将巷旁支护分为刚性、有限可缩量、大可缩量几种。传统的巷旁支护有木垛、密集支柱、矸石带、混凝土砌块等。木垛巷旁支护的优点是稳定性好、架设劳动强度小；缺点是

3、增阻速度慢、可缩量大、支护阻力小、巷道控顶宽度大、留巷效果差，不能密闭采空区、木材消耗量大，适用于薄及中厚煤层。密集支柱巷旁支护与木垛相比，其优点是可缩量小、早期支撑性能好、巷道控顶宽度小、切顶效果较好；缺点是可缩量小、支护阻力小、稳定性差，不能密闭采空区、木材消耗量大，适用于脆性顶板、中等稳定的薄及中厚煤层。矸石带巷旁支护的优点节省支护材料、稳定性较好；缺点是矸石带的可缩量大、前期支护阻力小、顶板下沉量大，构筑矸石带的劳动强度大，密闭采空区效果较差，适用于顶板韧性较大的薄煤层。混凝土砌块巷旁支护的优点是前期支护阻力大、增阻速度快、切顶效果好；缺点是可缩量较小、成本较高、构筑巷旁支护的劳动强度

4、大，密闭采空区效果较好，适用于顶板中等稳定的薄及中厚、中硬以上的煤层。传统的巷旁支护存在支护阻力、可缩性等力学性能与沿空留巷围岩变形不相适应、密闭性能差和机械化程度低等缺点，不利于巷道维护和防止采空区漏风与自燃发火，所以长期以来我国沿空留巷基本上只是应用在条件较好的薄及中厚煤层，条件困难或厚煤层中难以发展，多采用沿空掘巷。2 巷旁支护新材料和新技术针对沿空留巷围岩活动规律及传统巷旁支护存在的问题，研究、开发了高水速凝材料及膏体材料巷旁支护新技术，它们的优点是支护阻力大、增阻速度快、适量可缩，巷道维护效果好，机械化整体构筑巷旁支护对采空区密闭性好、劳动强度小。硬石膏巷旁支护在德国有少量应用，由于

5、留巷成本昂贵、输送管道磨损严重、粉尘大，我国基本没有应用。2.1 高水速凝材料巷旁支护高水速凝材料是20世纪70年代末从英国发展起来的，分甲料、乙料两部分，每部分单独加水搅拌24 h不凝固，混合后快速凝固、早期强度大、增阻速度快、塑性变形量大，水用量大、固体料用量少，易于泵送、构筑巷旁支护体劳动强度小。ZKD高水速凝材料不但强度满足巷旁支护要求，而且塑性特征显著，残余强度降至峰值强度的70时，其应变可达37.5，能满足沿空留巷围岩强烈变形要求，工程实践表明高水速凝材料巷旁支护维护巷道效果良好3。但是高水速凝材料研发成熟时期是1992年前后，当时，我国煤炭行业处于困难时期，相对当时的煤炭售价，7

6、00元/t的高水速凝材料使巷旁支护成本较高，未能在我国广泛应用。高水速凝材料巷旁充填沿空留巷又分为高水速凝材料净浆充填和高水速凝材料灰渣充填。高水速凝材料净浆充填是仅在高水速凝材料中按配比加水搅拌；高水速凝材料灰渣充填不仅在高水速凝材料中按配比加水、还要按配比加入粉煤灰搅拌。ZKD高水速凝材料加灰渣的单轴抗压强度见表1、高水速凝材料净浆单轴抗压强度见表2。表1 ZKD高水速凝材料加灰渣的单轴抗压强度4编号灰渣种类用量/kgm-2单轴抗压强度/MPa胶结料水灰渣1d3d7d28d1烟道482.983.154.272烟道灰23507004402.512.923.354.2

7、23烟道灰33507004001.772.572.843.574烟道灰43507004202.473.053.353.655沸853.864.334.626沸渣23507004852.803.563.894.737沸渣33507004752.913.493.734.758沸渣43507004853.083.473.935.049沸渣53507004803.063.674.024.76表2 ZKD高水速凝材料净浆单轴抗压强度4编号水灰比胶结料用量/kgm-3水用量/kgm-3胶凝时间/min单轴抗压强度 /MPa2h24h7d28d10.8873698714.419.0

8、21.3222.5521.0744744810.215.817.9019.1031.264777688.414.015.5216.9741.5542813104.489.1410.3611.5152.0426850123.336.267.928.7062.25385866142.424.746.197.0872.5352880162.053.975.085.44由表1和表2可见，高水速凝材料灰渣充填可以减少胶结料的用量、降低沿空留巷成本，同时可以有效防止充填体风化，但添加灰渣增加了施工难度和井下辅助运输工作量。高水速凝材料净浆充填沿空留巷与添加灰渣充填相比具有施工工艺简单、辅助运输工作量小、单

9、一等优点，存在费用略高、充填体因失水表面风化的缺点，但风化速度较慢，2030mm/年。高水速凝材料分甲料、乙料两部分，一般按11的比例配合使用。甲料、乙料单独与水混合24h不凝结，而一旦相互混合则快速凝结硬化。为防止浆液在搅拌、运输过程中凝结、堵塞管路和泵等设备，需分别搅拌和泵送甲料、乙料浆液。因而，应采用双液充填工艺。采用1台流量为120150L/min的双液充填泵充填。甲料、乙料各配2台搅拌桶，搅拌桶容积1.0m3，搅拌桶附近布置料场，接有两趟水管，供甲、乙料搅拌用水。充填泵站布置见图1。图1 高水速凝材料双液充填泵站布置图图2模板构筑巷旁充填体的情况在充填点混合甲乙料浆液，用充填模板成型

10、或框架加充填袋构筑巷旁充填体，或配合采用充填支架构筑充填体。用模板构筑巷旁充填体的情况见图2。2.2 膏体材料巷旁支护膏体材料巷旁支护由胶结料与粗骨料（矸石或石子）、细骨料（粉煤灰或沙子）加水搅拌混合均匀形成膏体状充填材料、经膏体充填泵泵送、钢管输送到回采工作面后方由模板构筑的充填空间内凝结而成。膏体材料能利用大量矸石，其中矸石占固体材料总重的85以上，为实现矸石不上井、减少地面矸石提供了途径。膏体材料试验结果见表3所示。表3 膏体材料试验结果序号浓度/%煤矸石/kgm-3水/kgm-3粉煤灰/kgm-3胶结料/kgm-3龄期强度/MPa8h1d3d7d28d1799654114001800.

11、981.761.902.342.672799434104002000.951.471.702.012.533799224104002200.942.232.592.733.234798894094002501.242.032.702.773.375797284064004004.485.977.298.326796744064004505.686.438.309.457796204044005006.787.7910.0211.20试验结果表明：胶结料与矸石的粘结性能良好。胶结料含量达到400kg/m3，材料的抗压强度较大。调整胶结料配比与用量，能够保证充填体强度满足巷旁充填沿空留巷的要求。膏

12、体材料巷旁支护的塑性变形特征显著，在载荷达到峰值强度后，并不立即破坏、丧失承载能力，只是随着变形增大，承载能力缓慢下降，下降速度远小于一般的脆性材料。该特性表示在沿空留巷剧烈变形过程中，巷旁支护适当压缩变形、卸载，仍保持较大的支撑力，有效维护巷道。因此，从材料本身来说，膏体材料巷旁充填沿空留巷是可行的。3巷旁支护主要参数的研究确定23.1巷旁充填体作用机理鉴于回采工作面顶板岩层运动规律、沿空留巷围岩变形、巷旁支护体变形以及支护体载荷的变化都与回采工作面的周期来压有关系。回采工作面后方20m范围内，巷道围岩变形速度较大；当周期来压引起工作面后方基本顶弧形三角板失稳时、巷道围岩及巷旁支护体产生剧烈

13、变形，支护体承受载荷也剧烈增加，这个区域一般在工作面后方2040m范围内。巷旁支护体有效维护巷道，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，适量的可缩量满足直接位于巷道上方的岩层服从控顶高度以上岩层的旋转下沉，防止在顶板岩层旋转下沉时被破坏，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： 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

14、采空区侧的直接顶，减小巷旁支护体所承受的载荷。支护体切落顶板岩层需要的支护阻力决定于巷道围岩条件、基本顶厚度及抗拉强度、直接顶厚度、沿空留巷参数、工作面采高以及煤层倾角、开采深度、巷道支护等。 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。垮落的矸石由于破碎后体积增大，当充填满采空区时，更上位岩层在矸石及煤体的支撑作用下，取得运动的平衡，巷道围岩变形趋于缓和并稳定下来，所以采高、矸石的碎涨系数决定巷旁支护体的切顶高度；另外，巷旁支护体应具有一定的可缩量，对上位岩层在取得平衡之前的急剧沉降有较好的适应性

15、。 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。3.2 沿空留巷力学模型的建立沿空留巷与回采工作面相互位置关系的示意图见图3。图3 沿空留巷与回采工作面相互位置示意图随着工作面的开采和不断推进，在工作面下端头处，由于该板的隅角处于直角固支状态而产生的“角”效应，使该处呈现弧形破坏，形成“弧形三角板”，“弧形三角板”的稳定与否对沿空留巷影响较大，同样，巷旁支护性能和早期支护参数要借助于“弧形三角板”结构来进行计算。设计沿空留巷支护阻力等参数时，一般考虑其极限状况，即以顶板

16、达到危险状况的断面为截面，得到弹性基础梁模型。随着回采面的推进，控顶范围扩大，引起下位基本顶破断、失稳，巷旁支护体具有的支护阻力应使基本顶沿巷旁支护体侧的弯矩达到极限弯矩，从而切断基本顶。由于巷内支护阻力远小于巷旁支护阻力，巷内支护阻力可忽略不计。巷旁支护体与顶板相互作用的力学模型如图4所示，以板的中间破断线位置所作的剖面。图4 沿空留巷力学模型对上述模型作如下简化： 矸石对结构块AC的支撑力为零，在采空区侧受到的剪力为Nc，沿岩层方向的推力为Tc： (1)式中：煤层倾角；LAC岩块的长度；qAC岩块单位长度的自重；hAC岩块的厚度；ScAC岩块被切断时C端的下沉量。 因采空区上方直接顶与基本

17、顶之间的离层，以及基本顶之上软弱岩层与更上位岩层之间的离层，认为其间的剪力为零；基本顶的自重沿平行岩层和垂直岩层方向分解成两组力；基本顶之上的软弱岩层，均匀地加到基本顶上；基本顶以煤体弹塑性交界处为旋转轴向采空区侧旋转倾斜；沿空留巷下侧煤体支承压力y和应力极限平衡区宽度x0计算式6为： (2) (3)式中： 、 煤层与顶底板岩层交界面的粘聚力和内摩擦角； 煤层倾角；P x支架对煤帮的支护阻力；A 侧压系数；M 采高；H 开采深度；上覆岩层平均容重； 应力集中系数。 3.3 巷旁支护阻力求解根据图3，用平衡法对AB、BC两岩块分别建立力学方程。BC岩块，垂直于倾角方向，Fn=0，得：NB-qco

18、se-Nc=0平行于方向，Fs=0，得：TB= TC+qsineMB=0，得：AB岩块，MA=0，得求解得到：（4）式中： 煤层倾角；c巷道宽度；d巷旁支护体宽度；h基本顶岩层厚度；Pq巷旁支护体的切顶阻力；ML基本顶岩层的极限弯距；M0 端基本顶的残余弯距；q基本顶及其上部软弱岩层单位长度的自重；q0直接顶单位长度自重；SB基本顶跨落前 端的下沉量， ； BC岩块的长度，其计算式为： ；b基本顶来压步距；Lm工作面长度。3.4 巷旁支护体控顶高度巷旁支护的控顶高度至少应满足被巷旁支护切落的顶板碎涨后能够充填满采空区，更上位岩层弯曲、断裂，在采空区触矸、得到支撑，另一侧得到煤壁支撑，从而取得平

19、衡，见图5。图5 沿空留巷巷旁支护控顶高度模型由图中几何关系得：所以，式中：Hm巷旁支护控顶高度，m；hi顶板岩层分层厚度，m；M采高，m；Kp顶板岩层冒落矸石的碎胀系数。4 沿空留巷巷内支护方案沿空留巷巷内支护分为基本支护（即掘进期间的锚杆、锚索支护或架棚支护）和回采、留巷期间的加强支护两部分。4.1巷内基本支护大量矿压观测表明，沿空留巷巷旁支护载荷远远大于巷内支护载荷。尽管沿空留巷巷内基本支护载荷小，但所留巷道经过2个工作面采动支承应力作用，巷道发生大变形难以避免，U型钢可缩性支架和工字钢刚性支架不能适应沿空留巷围岩大变形，同时，可缩性金属支架投资大，体力劳动强度大，更主要的它是被动支护，

20、不能对顶板的初期运动起控制作用。因此，沿空留巷巷内基本支护不宜采用U型钢可缩性支架和工字钢刚性支架支护。而锚杆支护属于主动支护，通过锚杆支护的强度强化作用，提高围岩的极限强度，尤其是提高破碎围岩的残余强度，发挥围岩的自身承载能力，同时，锚杆支护的强度强化作用将锚杆支护强度放大1530倍，这种支护的扩大效应与架棚被动式支护相比，效果极为显著。高强度螺纹钢锚杆具有较大的延伸率，能够适应沿空留巷围岩较大变形。因此，沿空留巷应采用树脂药卷加长锚固的高强度螺纹钢锚杆支护。根据现场生产地质条件，综合应用锚杆支护围岩强度强化理论和计算机数值模拟研究确定沿空留巷锚杆、锚索支护参数，重点加强顶板和留巷后实煤体帮

21、的支护，采用树脂药卷加长锚固、高强度螺纹钢锚杆和锚索加强支护。4.2巷内加强支护沿空留巷在受到工作面采动影响期间及采后留巷期间，巷道围岩活动强烈、尤其顶板下沉量较大。大量观测结果表明，沿空留巷顶板活动强烈的范围在上区段工作面前方20m、工作面回采后方100m范围内，因此，上区段工作面前方20m、后方100m范围内需要采用加强支护，加强支护可以采用单体液压支柱或专门研制的支架。5 沿空留巷材料、设备费用分析采用高水速凝材料和膏体材料沿空留巷的充填材料费用、设备费用见表4。表4巷旁充填体充填材料、设备费用内容单位体积用量 kgm-3 单价/元t-1金额元m-3充填设备费用/万元备 注高水速凝材料5

22、00100050030包括：2台充填泵、6个搅拌桶、充填模板和1000m充填管路膏体材料胶结料400800320400包括进口充填泵、粉煤灰、胶结料地面储存与混合处理系统、井下矸石破碎子系统、移动巷旁膏体充填站、充填管路、充填模板粉煤灰4004518矸石70030216 工程应用该技术在徐州矿务局庞庄矿、夹河矿、三河尖矿、新汶矿务局翟镇矿、潞安矿务局常村矿等进行了应用，即将在长治地方矿和平顶山矿务局深部解放层开采进行应用。结合庞庄煤矿东城井721工作面高水灰渣巷旁整体充填沿空留巷试验情况，72l工作面煤层厚2.54.0，平均3.2m，采高2.Om煤层倾角010度，平均5度；直接顶为4.9m 厚

23、的砂质页岩，直接底为泥质页岩，老顶为平均厚4m的砂岩。采用这些参数求得721工作面沿空留巷所需巷旁充填体的力学性能如下：24小时之后，支护阻力为1240kNm，巷旁充填体构筑后达到切顶阻力的时间为8天，巷旁充填体需要切断两组老顶，方可满足切顶高度要求，切断第一组老顶所需的支护阻力为4500kNm，切断第二组老顶所需的支护阻力为5400kNm，后期支护阻力大于4000kNm，确定的巷旁充填体为：宽度1.2m、水灰比2.21，充填体力学性能见表5，巷旁充填体切顶效果见图6。表5 充填体力学性能胶结料用量 /kgm-3粉煤灰用量 /kgm-3水用量/kgm-3单轴抗压强度 /MPa1d3d7d28d3105406703.54.75.26.0图6 巷旁充填体切顶效果7 结 论高水速凝材料或膏体材料构筑的巷旁支护体具有良