综放工作面沿空留巷顶板下沉因素研究与控制技术

廉佳斌

（山西高平科兴南阳煤业有限公司，山西 晋城 046700）

综放沿空留巷是沿着采空区边缘将上区段回采巷道保留下来供相邻工作面开采使用[1-2]，具有提高资源采出率、减少巷道掘进量、改善工作面通风条件等优点[3]。然而沿空留巷虽处于应力降低区，但巷道受多次采动影响，巷道顶板易产生大变形。本文以南阳煤矿3207 工作面沿空留巷为工程背景，对巷旁支护体侧顶板下沉影响较大的几个因素进行分析，以此为基础提出相应的控制对策，并进行了工程应用。

1 工程概况

南阳煤矿开采的3#煤层平均埋深300 m，平均厚度5.31 m，煤层倾角5°，为近水平煤层。煤层直接顶为3.28 m 厚的细粒砂岩，基本顶为6.11 m厚的粗粒砂岩，直接底为2.67 m 厚的细粒砂岩，基本底为3.55 m 厚的粉砂岩。3207 回风巷为3026 进风巷采后进行的沿空留巷。3207 工作面倾向长度为180 m，走向长度为1868 m，采用综合机械化放顶煤开采，工作面两端各有3 架支架不放煤，采用全部垮落法处理采空区。

3207 回风巷为矩形断面，巷道宽5 m，高为3 m，采用锚网索联合支护方式。顶锚杆直径22 mm，长度为2.5 m，每排布设6 根，间排距0.9 m×0.9 m。锚索直径22 mm，长度为7 m，锚索采用三花布置方式。一排有两根锚索时，则在距离两帮角0.7 m处各打1 根锚索，一排有1 根锚索时，则在巷道顶板中部打1 根。锚索的排距为1.8 m。煤帮锚杆直径为20 mm，长度为2.4 m，每排布设3 根，间排距为0.9 m×0.9 m。巷旁充填选用CHCT 膏体混凝土，充填宽度为2 m，高度为3 m。3207 回风巷巷旁支护体侧顶板下沉较大。

2 顶板下沉影响因素分析

影响综放沿空留巷顶板下沉因素较多，本文将从影响顶板下沉较大的4 个因素进行分析，分别为巷内支护阻力、巷旁支护体弹性模量、巷旁支护体宽度和巷道宽度。将4 个因素各选取一个取值范围，为便于计算分析，采取单一影响因素数值变化，其它因素保持不变。采用公式（1）计算[4]顶板下沉量：

式中：θ 为关键块回转角，（°）；Em为煤体有效弹性模量，GPa；Ez为直接顶有效弹性模量，GPa；Ec为巷旁支护体有效弹性模量，GPa；h1为直接顶厚度，m；h2为顶煤厚度，m；M 为采高，m；△d 为巷旁支护体侧下沉量，mm；d 为直接顶宽度，m；c 为巷道宽度，m；γz为直接顶容重，kN/m3；γm为顶煤容重，kN/m3；q0为基本顶给定载荷，MPa；α 为煤层倾角，°；fh为巷内支护阻力，MPa。

根 据 现 场 观 测 可 得，θ 为7 °，Em为13 GPa，Ez为25 GPa，Ec为7 GPa，h1为3.28 m，h2为2.31 m，M 为3 m，d 为2.0 m，c 为5.0 m，γz为25 kN/m3，γm为15 kN/m3，q0为0.6 MPa，α为5°，fh为0.25 MPa。

（1）巷内支护阻力

巷内支护阻力fh实测值为0.25 MPa，变化范围取值0.04～0.8 MPa，其它数值与矿上提供数值相同，代入公式（1）中，采用Matlab 进行计算，并将数值进行线性拟合，如图1 所示。

由图1 可知，巷内支护阻力与顶板下沉量显著性相关，相关系数大于0.99，顶板下沉量随着巷内支护阻力增大而减小。当巷内支护阻力为0.04 MPa时，顶板下沉量485 mm，当巷内支护阻力0.8 MPa时，顶板下沉量为372 mm，则顶板下沉变化量为113 mm，顶板下沉变化量较小。因此，为减少顶板下沉量，需在增加巷内支护阻力的同时加强巷旁支护。

（2）巷旁支护体有效弹性模量

巷旁支护体有效弹性模量Ec实测值为7 GPa，变化范围取值0.03～30 GPa，其它数值与矿上提供数值相同，代入公式（1）中，采用Matlab 进行计算，并将数值进行二次方拟合，如图2 所示。

图1 巷内支护阻力与顶板下沉关系

图2 有效弹性模量与顶板下沉关系

由2 可知，巷旁支护体有效弹性模量与顶板下沉量显著性相关，相关系数大于0.99，顶板下沉量随着巷旁支护体有效弹性模量的增大而减小。当巷旁支护体有效弹性模量为0.05 GPa 时，顶板下沉量最大为545 mm，当巷旁支护体有效弹性模量为30 GPa 时，顶板下沉量最小为331 mm，则顶板下沉变化量为214 mm。因此，可提高巷旁支护体有效弹性模量来减小顶板下沉量。

（3）巷旁支护体宽度与巷道宽度

巷旁支护体宽度d 为2 m，变化范围1～4.5 m，其它数值与矿上提供数值相同；巷道宽度c 为5 m，变化范围取值1～5 m，其它数值与矿上提供数值相同。分别代入公式（1）中，采用Matlab 进行计算，并将数值进行二次方拟合，如图3 所示。

如图3 所示，巷旁支护体宽度、巷道宽度与顶板下沉量显著性相关，相关系数均大于0.99，顶板下沉量随着巷旁支护体宽度增大而减小。当巷旁支护体宽度为1 m 时，顶板下沉量最大为598 mm，当巷旁支护体宽度为4.5 m 时，顶板下沉量最小为285 mm，则顶板下沉量变化较大，为313 mm。拟合曲线在巷旁支护体宽度为1～3 m 时，顶板下沉量变化较大，在3～4.5 m，顶板下沉量虽有减少，但趋于缓慢。顶板下沉量随着巷道宽度的增大而增大，当巷道宽度为1 m 时，顶板下沉量为392 mm，当巷道宽度为5 m 时，顶板下沉量为494 mm，则顶板下沉变化量为102 mm，可以通过减小巷道宽度减少巷道下沉量。

图3 宽度与顶板下沉关系

通过比较各因素顶板下沉变化量大小可知，巷旁支护体宽度为主要影响因素，其余各因素排序依次为巷旁支护体有效弹性模量、巷内支护阻力和巷道宽度。

3 控制对策

根据对不同影响因素分析结果，提出采用“锚网索+高水充填材料”控制方案：

（1）为了提高巷内支护阻力，减少围岩破碎，采用加强长短锚索和钢筋网联合支护方案。

（2）为了提高巷旁支护体有效弹性模量，采用高水充填材料进行充填。

（3）为了增加巷旁支护体宽度和减小巷道宽度，可将巷旁支护体宽度由2 m 增加到3 m，巷道宽度由5 m 减少至4 m，即巷道宽度减少的1 m 进行了巷旁充填。

4 工程应用

针对控制对策，本节将实施具体的支护方案。将原巷道宽、高为5 m×3 m，改进为巷道宽、高为4 m×3 m，巷道支护参数在原有基础上在顶板增加长锚索和加强短锚索。巷道布置平面图、俯视图如图4、图5 所示，支护参数具体如下：

（1）将原有长锚索采用三花布置现在改为每排4 根布置，锚索直径为22 mm，长度为7 m，排距为1.8 m。

（2）加强短锚索直径为22 mm，长度为4.0 m，间排距为3.2 m×1.8 m。

（3）巷道顶板和实体煤帮采用10 号钢丝，钢筋网尺寸为5.4 m×1.2 m，钢筋网网格尺寸为80 mm×80 mm。

（4）采用高水充填材料进行巷旁充填，充填材料由硫铝酸盐水泥熟料为主的A 型材料和以石灰、石膏为主的B 型材料两种组分组成。材料使用时按照1.6:1 的水灰比进行加水搅拌，采用双液泵进行泵送，实现同步输浆。按照体积比1:1 进行混合，两种组分浆液混合后20～30 min 固化，充填体宽度为1.0 m，高度为采高3.0 m，一次充填长度为3.5 m。

如图6 所示，沿空留巷围岩位移变化规律基本一致。距离工作面10～30 m 范围内，顶板下沉量急剧增加；距离工作面30～45 m 范围内，顶板下沉量增加缓慢；距离工作面45 m 以后，顶板下沉量基本保持不变。说明距离工作面45 m 处围岩变形得到较好控制。沿空留巷巷旁支护体侧顶板最大下沉量为258 mm，巷道中部顶板最大下沉量为241 mm，可较好控制顶板下沉量，保持围岩稳定。

图4 沿空留巷布置平面图

图5 沿空留巷俯视图

图6 沿空留巷顶板下沉量

5 结论

（1）通过比较各因素顶板下沉变化量大小可知，巷旁支护体宽度为主要影响因素，其余各因素排序依次为巷旁支护体有效弹性模量。巷内支护阻力和巷道宽度。

（2）采用“锚网索+高水充填材料”控制方案，沿空留巷巷旁支护体侧顶板最大下沉量258 mm，巷道中部顶板最大下沉量为241 mm，可较好控制顶板下沉量，保持围岩稳定。