淺析沿空留巷技術(shù)

孫學(xué)軍

長春市新立城煤礦，吉林 長春130122

鄂爾多斯閆家渠煤礦隸屬鄂爾多斯市伊金霍洛旗。礦井可采儲(chǔ)量1 835萬噸，含可采煤層四層，由上至下分別為Ⅲ—2、Ⅳ—2、Ⅴ—2、Ⅵ—1煤層，其中唯有 Ⅳ—2煤層是較為理想的可采煤層，本設(shè)計(jì)的1404工作面即為Ⅳ—2煤層內(nèi)工作面。該礦井設(shè)計(jì)能力60萬噸/年，采用兩進(jìn)一回通風(fēng)方式，其中兩進(jìn)風(fēng)井主斜井和輔運(yùn)斜井采用斜井運(yùn)輸兼入風(fēng)，風(fēng)井采用立井回風(fēng)。工作面采用一個(gè)綜采回采，一個(gè)綜掘準(zhǔn)備的一采一掘方式。該礦井已于2008年通過驗(yàn)收，現(xiàn)為生產(chǎn)礦井。該井田位于東勝井田，東勝煤田大地構(gòu)造位于華北地臺(tái)和鄂爾多斯臺(tái)向斜東勝隆起區(qū)之東北部，地層傾向南西，傾角一般1°～3°，無較大的斷裂構(gòu)造和褶皺、巖漿巖侵入，局部有平緩的波狀起伏，總體構(gòu)造形態(tài)為向南西傾斜的單斜構(gòu)造，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡單。

1 工作面概況

1404采煤工作面走向長1 600m ，傾斜寬150m ，煤層均厚2.0m ，煤層煤質(zhì)堅(jiān)硬。工作面采用單一走向長壁式綜采機(jī)械化采煤方法，全部垮落法管理頂板，采高2.0m 。

直接頂以粉砂巖為主，厚3.2～8.6m ，局部為砂質(zhì)泥巖；老頂為粉細(xì)砂巖互層，厚5.3～18.6m ；直接底為砂質(zhì)泥巖及粉細(xì)砂巖互層，水平層理發(fā)育。煤層無突出危險(xiǎn)，但具爆炸危險(xiǎn)性，爆炸指數(shù)37%～40%，具自燃發(fā)火性，自燃發(fā)火期3～6個(gè)月。

閆家渠煤礦在1404采煤工作面上風(fēng)巷采用沿空留巷技術(shù)，保證沿空留巷后的巷道滿足工作面需要，提高煤炭回收率，緩解了采掘接續(xù)緊張的矛盾，改善了井下作業(yè)的條件。

在工作面回采過程中，1404上風(fēng)巷靠輔運(yùn)大巷側(cè)區(qū)段（自采煤面煤壁線與輔運(yùn)大巷之間）和下順槽兩巷進(jìn)風(fēng)，1404上風(fēng)巷靠切眼側(cè)區(qū)段（自采煤面煤壁線與切眼之間）與上一階段1405工作面的切眼及1405上風(fēng)巷作為回風(fēng)巷。當(dāng)1404工作面回采結(jié)束后，1404上風(fēng)巷留作為上一階段1405工作面的下順槽。該上順槽即作為1404工作面的上順槽，又要在工作面回采過程中及回采后保留住作為1405工作面的下順槽。為了保證沿空留巷的安全及使用，需要對(duì)已掘進(jìn)完成的1404上風(fēng)巷進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，即是加強(qiáng)的錨桿和錨索聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)。巷道布置見圖1。

圖1 工作面巷道布置圖Fig.1 Arrangement diagram of working face tunnel

2 巷道支護(hù)情況

1404工作面上風(fēng)巷全長1 600m ，巷道沿4-2號(hào)煤底板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形：巷寬3.8m ，巷高2.4m ，巷道斷面積9.12m2，采用錨梁網(wǎng)支護(hù)。頂板支護(hù)：錨索+錨桿+12#槽鋼梁+金屬網(wǎng)。巷道斷面內(nèi)共布置2根錨索、3根錨桿。錨索規(guī)格ф15.24mm×6 300mm，錨桿規(guī)格ф20mm×2 000mm，錨桿、錨索間排距800mm×900mm。

巷幫支護(hù)：錨桿+錨條+鋼筋網(wǎng)。上、下幫各布置4根錨桿，錨桿規(guī)格ф20mm×2 000mm，錨桿間排距，上幫700mm×900mm ，下幫700mm×900mm（見圖2）。

巷旁充填：在工作面回采中，在巷道靠工作面一側(cè)建造走向充填帶，對(duì)巷道進(jìn)行充填，并利用充填墻對(duì)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)。充填的高度要求直接接頂，寬2.0m。同時(shí)充填帶用風(fēng)筒布將巷道與采空區(qū)進(jìn)行隔離封閉，防止向采空區(qū)漏風(fēng)。

圖2 1404上風(fēng)巷錨梁網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design chart of support with anchor beam net of 1404 air return roadway

3 沿空留巷的頂板支護(hù)分析

3.1 巷道直接頂厚度變化造成頂板可能發(fā)生離層斷裂的高度不確定

煤層直接頂以粉砂巖為主，厚3.2～8.6m ，局部為砂質(zhì)泥巖。當(dāng)巷道直接頂在3～7m 之間變化時(shí)，頂板可能發(fā)生離層斷裂的高度也可能變化在3～5m 之間。因?yàn)楦鶕?jù)閆家渠煤礦實(shí)際冒落高度，本巷道最大冒落高度為5m 左右，因此在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，必須以巷道可能的最大冒落高度為依據(jù)，使支護(hù)可以控制這一高度內(nèi)的頂板冒落。

3.2 錨桿、錨索支護(hù)難以控制沿空留巷頂板沉降

實(shí)體煤巷道的變形是由于巷道圍巖內(nèi)的應(yīng)力作用所產(chǎn)生的，而能夠作用于巷道的應(yīng)力范圍是有限的，或者說是一個(gè)很小的范圍；而沿空留巷的變形是由于整個(gè)采場（相鄰采空區(qū)）覆巖的運(yùn)動(dòng)所引起的，是大范圍內(nèi)巖層的運(yùn)動(dòng)所引起的。沿空留巷時(shí)，相當(dāng)于將原來的采空區(qū)邊界向?qū)嶓w煤方向推進(jìn)，擴(kuò)大了采空區(qū)范圍，因而打破了原采空區(qū)邊緣頂板巖層內(nèi)的應(yīng)力平衡和穩(wěn)定狀態(tài)，使留巷和整個(gè)采空區(qū)一樣，其頂板將與覆巖一起產(chǎn)生整體下沉和傾斜移動(dòng)。即使在回采時(shí)對(duì)巷旁進(jìn)行充填，但在覆巖運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的巨大的頂板壓力下，這些充填體難以阻止頂板的下沉和移動(dòng)。錨桿和錨索支護(hù)只能控制巷道頂板有限高度內(nèi)或很小范圍內(nèi)的變形，不能、也不可能控制整個(gè)采場覆巖的運(yùn)動(dòng)，因此也就不可能控制沿空巷道頂板的下沉和移動(dòng)。不論采用何種錨桿和錨索支護(hù)技術(shù)，頂板巖層還是會(huì)按照固有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，并壓迫巷道產(chǎn)生變形?；蛘哒f，巷道的最終變形與采用何種錨桿或錨索支護(hù)技術(shù)無關(guān)。

3.3 可能存在的安全威脅

⑴頂板垮冒的可能性：對(duì)于采用錨梁網(wǎng)支護(hù)的沿空留巷，最大的安全威脅來自于巷道頂板的垮冒，當(dāng)巷道頂板沿巷道的采空區(qū)側(cè)斷裂后，巷道空間內(nèi)的頂板成為懸伸的無支護(hù)的懸臂頂板。在頂板壓力作用下，其內(nèi)應(yīng)力達(dá)到或大于其極限破壞強(qiáng)度時(shí)，頂板則有可能在實(shí)體煤側(cè)上方發(fā)生斷裂，進(jìn)而發(fā)生頂板垮落。當(dāng)其斷裂的高度大于錨索的支護(hù)高度時(shí)，或者斷裂后的頂板巖層重量大于錨索的支護(hù)力時(shí)，頂板的斷裂、垮落就有可能會(huì)發(fā)生。

⑵頂板碎裂的可能性。錨索、錨桿對(duì)于巷道頂板的支護(hù)，其條件是錨索、錨桿的內(nèi)錨巖層必須是穩(wěn)定的、完整的。由于沿空留巷要承受兩次采煤面超前支承壓力的劇烈作用，巷道頂板，特別是巷道的直接頂板容易發(fā)生離層和破碎。一旦頂板發(fā)生離層破碎的高度達(dá)到錨桿、錨索的內(nèi)錨處時(shí)，錨桿、錨索的內(nèi)錨就會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，造成錨桿、錨索的錨固強(qiáng)度降低或失敗，從而危及巷道的安全。

⑶沿空留巷頂板的斷裂分析。1404沿空留巷頂板沿傾向的斷裂，可以分為4種情況：①頂板在1404采煤面回采期間發(fā)生第一次斷裂，但在1405采煤面回采時(shí)沒有發(fā)生斷裂，頂板只發(fā)生一次斷裂②頂板在1404采煤面回采期間沒有發(fā)生斷裂，但在1405采煤面回采時(shí)發(fā)生第一次斷裂③頂板在1404采煤面回采期間和在1405采煤面回采期間都沒有發(fā)生斷裂④頂板在1404采煤面回采期間和在1405采煤面回采期間都發(fā)生斷裂，頂板共發(fā)生兩次斷裂。

顯然，第三種情況最為有利，而第四種情況則最為不利。

巷道地質(zhì)條件不同，巷道頂板的斷裂位置亦不同：①巷道頂板在充填體上方斷裂，此種情況對(duì)巷道安全較為有利，上覆巖層的部分壓力通過斷裂的頂板巖塊作用下采空區(qū)冒落的矸石之上，減輕了巷道頂板上的壓力，巷道處于懸伸于巷道上方的頂板巖層的掩護(hù)之下②巷道頂板在巷道上方斷裂，此種情況對(duì)巷道安全的威脅較大，當(dāng)充填體因承受不了頂板壓力而完全破壞或塌陷時(shí)，斷裂巖塊向采空方向傾斜、彎曲，斷裂的頂板將會(huì)給巷道支護(hù)造成巨大壓力，則只有通過采用適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)支護(hù)措施才能維護(hù)巷道的安全③巷道頂板在實(shí)體煤上方斷裂，此種情況最為危險(xiǎn)，當(dāng)錨索的錨固深度淺于頂板的斷裂高度，或者錨索的支護(hù)強(qiáng)度不足以懸吊支撐斷裂巖層的重量時(shí)，頂板將會(huì)發(fā)生垮冒，巷道將會(huì)被全部壓垮。

3.4 沿空留巷針對(duì)性支護(hù)措施

⑴加強(qiáng)頂板支護(hù)：巷道頂板采用錨索配合槽鋼梁進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。槽鋼梁沿巷道橫向鋪設(shè)在原錨桿支架位置。每根槽鋼梁上安裝兩根錨索，錨索均垂直頂板層面安裝。加強(qiáng)錨索支架的棚距與原錨桿支架的棚距相同，仍為900mm。兩根錨索相距巷道上、下幫的距離分別為1 400mm、800mm，兩根錨索之間相距1 600mm.槽鋼的規(guī)格為12號(hào)，錨索的規(guī)格為ф15.24mm×6 300mm.

⑵加強(qiáng)工作面?zhèn)认飵椭ёo(hù)：在沿空留巷中，加強(qiáng)工作面?zhèn)认飵偷闹ёo(hù)十分重要。在實(shí)體煤巷道，兩幫的支護(hù)條件是相同的，支護(hù)的作用和效果也是相同的。但在沿空留巷中，由于巷道的另一側(cè)是采空區(qū)，巷道頂板成了一端無支撐的懸伸的頂板。此時(shí)，實(shí)體煤側(cè)巷幫的受力會(huì)更大，巷幫的變形破壞深度會(huì)更深，變形破壞的范圍會(huì)更大，頂板的沉降也就會(huì)更大，頂板發(fā)生離層和破壞的可能性也就更大。在這種情況下，除了頂板支護(hù)以外，對(duì)頂板的支護(hù)和控制作用主要依賴于實(shí)體煤側(cè)的巷幫支護(hù)。所以要在提高巷幫錨桿支護(hù)強(qiáng)度的同時(shí)，增加錨桿的錨固深度。工作面?zhèn)认飵图訌?qiáng)支護(hù)，采用錨桿配合扁鋼。在巷幫中部布置兩根錨桿，扁鋼沿巷道縱向鋪設(shè)，并相互搭接。每個(gè)支護(hù)剖面內(nèi)布置的兩根錨桿之間的間距為700mm，巷幫的加強(qiáng)錨桿的棚距亦與原支護(hù)棚距相同，仍為900mm。錨桿穿過扁鋼上的錨桿孔垂直錨入巷幫媒體中。錨桿的規(guī)格為ф20mm×2 500mm，扁鋼規(guī)格為2 100mm×200mm×3mm。

⑶增加頂板巖層的控制高度：巷道的安全威脅來自于巷道頂板巖層的可能的斷裂和垮冒。頂板斷裂和垮冒的高度與頂板巖性結(jié)構(gòu)有關(guān)，與回采面的采厚有關(guān)，與采空區(qū)頂板的冒落高度和充填狀況有關(guān)。不過，這些因素都已經(jīng)是確定了的，是不能改變的客觀條件。在第一次支護(hù)施工時(shí)，錨索的錨固深度不到4m。而如果適當(dāng)加長錨索的錨固深度后，將會(huì)有利于增加頂板的安全性。因?yàn)槿绻苯禹數(shù)暮穸却笥?m，且在留巷期間發(fā)生離層斷裂時(shí)，將會(huì)直接威脅到巷道的安全，所以需要增加錨索的錨固深度，使其大于巷道頂板可能的斷裂垮冒高度。

3.5 采用沿空留巷技術(shù)后效果分析

原有支護(hù)形式下沿空留巷頂?shù)装逡平孔畲鬄? 900mm，平均為1 200mm。由于受到礦壓影響，發(fā)生底鼓。

加強(qiáng)支護(hù)后巷道兩幫移近量最大為300mm，以上幫移動(dòng)為主。巷道寬度完全能滿足通風(fēng)、行人和出煤的需要。回采期間巷道基本穩(wěn)定，頂?shù)装逡平蛢蓭鸵平坎幻黠@。

采用沿空留巷技術(shù)多回收煤炭資源40 000 t，創(chuàng)收800萬元，而加強(qiáng)支護(hù)的費(fèi)用是410萬元，增加經(jīng)濟(jì)效益390萬元。

4 結(jié)論

1404沿空留巷成功的支護(hù)，保證了巷道的穩(wěn)定性，有效地緩解了煤礦采掘接續(xù)緊張的局面。沿空留巷的成功，為工作面實(shí)現(xiàn)“Y”型通風(fēng)創(chuàng)造了條件，解決了上隅角一氧化碳積聚問題，提高了礦井的安全性。沿空留巷的成功提高了采區(qū)回采率，同時(shí)取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 華新祝.我國沿空留巷支護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及改進(jìn)建議[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，(2).

[2] 李琰慶，李志紅.沿空巷圍巖失穩(wěn)機(jī)理與控制技術(shù)[J].煤礦支護(hù)，2010，(8).

[3] 張建斌.“Y”型通風(fēng)方式沿空留巷技術(shù)與綜合瓦斯治理措施的應(yīng)用[J].山西煤炭，2010,(10).