矿压显现规律与沿空留巷技术研究

矿压显现规律与沿空留巷技术研究【摘要】：通过对沿空留巷矿压显现规律与围岩控制技术研究，分析了巷旁充填沿空留巷及充填体的变形及受力情况，提出该工作面沿空留巷支扩技术方案，巷内支护与巷旁支护联合作用。

【关键词】：显现规律；围岩控制；技术研究

引言

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、掘进排矸少的优点，尤其是煤巷掘进速度仅为80～100m/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。沿空留巷技术是一项系统工程，本研究对所留巷道从掘进期间的支护设计与施工到留巷期间的巷道支

护方式选择及下个工作面回采期间的加强支护都统筹考虑。

1 沿空留巷矿压显现规律分析

在工作面回采过程中，采空区顶板岩层活动的主要形式为自上而下的分层垮落，表现为顶板岩层的旋转下沉和平移下沉。根据受一次采动影响时，沿空留巷顶板岩层运动规律的不同，将顶板岩层活动一般分为三个时期。

1．1 前期活动

工作面的回采过程中，支架的向前移动，其后方顶板岩层失去支撑，在留巷采空区侧的直接顶由于自重及充填体因素产生的切顶力作用下，其变形形式主要以旋转变形为主(如图l中实测曲线a 区)，此阶段的顶板活动称为顶板前期活动期。

1．2 过渡期活动

当老顶岩层折断垮落后，缓慢平衡过程中可形成砌体结构；在岩层垮落后不足以充满采空区时，二次破断形成老顶岩梁，充填采空区，形成砌体结构，老顶上覆岩层的重量通过直接顶逐渐转移到巷旁煤体深部，使其出现应力集中，随老顶岩块的旋转使得在下部冒落碎矸的支撑下形成的“大结构”逐渐稳定，从而使沿空巷道一定范围内的应力低于原岩应力，此阶段的顶板运动称为顶板过渡活动期。(如图1中实测曲线b区。)

1．3 后期活动

随着矸石的逐渐压实并形成稳定“大结构”，其上位岩层将折断、变形下沉，使煤壁、直接顶产生损伤，从而支承压力范围加大，峰值进一步内移，留巷上方顶板产生平行下沉，并受老顶分层垮落的影响，巷道顶板下沉呈现波动性。此阶段顶板活动称为顶板后期活动期。(如图l中实测曲线c区)。

2 沿空留巷的围岩变形规律分析

沿空巷道从开掘到废弃过程当中，由于采动因素使得围岩应力重新分布，巷道围岩变形会持续增长和变化。例如相邻区段回采影

响的工作面回风巷，其围岩变形要经历五个时期(见图2)。

i一掘巷引起的围岩变形区；

在开掘巷道后，巷道围岩出现应力集中，会形成塑性变形区，围岩会向巷道空间显著位移。随着掘出时间的延长，围岩变形速度将日趋缓和。

ⅱ一掘巷影响稳定后的围岩变形区；

围岩破坏重新分布趋向稳定后，针对煤层都具有流变性质，即使应力不变，围岩变形随时间也会缓慢地不断加大，但其变形速度比刚掘巷期间要小得多。

ⅲ一受回采影响的围岩变形区；

巷道受工作面(a)的回采影响后，伴着回采引起的支承压力增加，应力重新分布，塑性区显著扩大，围岩变形急剧增长。在工作面(a)后方附近，回采引起的支承压力和巷道的围岩变形速度都达到峰值。远离工作面后，巷道围岩变形速度会逐渐衰减。

ⅳ一回采影响稳定后的围岩变形区；

应力重新分布趋向稳定后，巷道围岩的变形速度再一次显著降低，但其变形量仍按流变规律缓慢而不断地增长。

v一受下区段回采影响的围岩变形区。

巷道受工作面(b)的回采影响时，由于上、下区段回采引起的支承压力相互叠加，使巷道周围的应力急剧增高，导致巷道围岩应力又一次重新分布，塑性区进一步扩大，采动影响时更加强烈。

3 沿空留巷巷旁充填支护设计

根据力学模型研究巷道“支护一围岩”相互作用关系，确定巷内采用锚杆支护、巷旁采用锚索加强支护的方式。

3.1 巷内基本支护参数确定

顶板采用螺纹钢锚杆、锚索配w钢带联合支护。锚杆间排距为1000mm×1000mm矩形布置四排管理。锚索间排距为2000mm×2000mm 矩形布置两排管理。螺纹钢锚杆规格为税0mm×2200mill，锚索长度为6．3m，打设深度6．0m。上帮护帮采用树脂锚杆挂金属网，间排距1200mln×800mill。两排管理。

3．2 巷旁支护参数确定

根据现场实际地质条件和开采技术条件，沿空留巷巷旁支护采用矸石混凝土发碹配合单体棚支护h]。沿充填墙体走向打设单体配小拌的走向棚子一梁两柱加强支护，柱距1．0m，单体棚打设保持距工作面切顶线50nl，随工作面推进逐步回撤。矸石混凝土发碹墙体宽1．5nl。碹体滞后工作面切顶线不大于2．0m，随工作面推进顺序前延。巷旁充填体具体参数如下：a.乳充填体形状及宽度。充填体的形状与巷道断面相匹配，确定为矩形。经计算充填宽度不应小于1．14m，考虑安全生产及施工方便，取充填宽度为1．2m。同时，在地质构造处、巷道压力增大地段，充填宽度增为1．5m。

b．每次充填长度。该工作面每班平均推进2．4m，每天三班生产，日推进7。2m，则取每次充填长度为1．8m，每天充填4次。

c．充填高度的确定。工作面平均采高为1．7m，由于煤层的直

接底为较软的砂质泥岩，需要一定的起底量，因此，取充填高度为1．9m一2．1m。

3.3 巷旁支护方案

由于沿空留巷要经受掘进和两次采动的影响，使巷道围岩活动极为剧烈，巷道维护难度较大，因而沿空留巷除了合理设置巷内支护外，也要设置巷旁支护。

为使留巷复用期间巷道宽度保证不小于2.6m,对所留巷道断面预留一定的富裕系数，本设计留巷宽度为3.2m.

巷旁支护形式有研石垛、混凝土砌垛、木垛和排柱等[11创门可就地取材、材料成本低，但各自也存在一些缺点。高水速凝材料巷旁充填机械化构筑巷旁支护带技术机械化程度高，降低了工人劳动强度，支承能力大、密闭性能好，但充填材料成本高、充填系统较复杂。

由于靠近巷旁的小孔径预应力锚索(掘进期间已施工)锚固深度大，将下部不稳定的岩层锚固到上部稳定的岩层中，这样一方面可提高巷内顶板的稳定性，同时也可减轻巷旁支护的压力。据此，针对回采工作面顺槽具体条件，拟采用工字钢密集支柱及矸石带联合巷旁支护方案。

3.4 支护形式选择

以往沿空留巷巷内支护多采用金属支架或木棚支架的被动支护方式[1-31，留巷效果不佳，因此有必要采用一种能主动提供支护阻力的巷内支护方式——锚、网、索联合支护[4-51。对于沿空留