煤礦工作面沿空留巷支護(hù)技術(shù)方案的設(shè)計及應(yīng)用

賈志興

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036700）

引言

在煤礦生產(chǎn)實踐中對安全構(gòu)成威脅的因素是多方面的，主要危險源包括礦井內(nèi)部瓦斯、粉塵等易燃易爆物質(zhì)，以及巷道支護(hù)技術(shù)等[1-3]。巷道支護(hù)技術(shù)方案是確保整個采煤過程安全的關(guān)鍵。當(dāng)前階段很多煤礦企業(yè)采用沿空留巷技術(shù)進(jìn)行煤礦開采，因為這種開采技術(shù)在實踐中表現(xiàn)出了很大優(yōu)勢，比如能夠在很大程度上降低巷道掘進(jìn)工作量、規(guī)避瓦斯爆炸安全問題等[4-5]。為保障沿空留巷安全，必須采用先進(jìn)的巷道支護(hù)技術(shù)方案對其進(jìn)行保護(hù)，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的變形問題[6]。本文以某煤礦工作面沿空留巷為案例，詳細(xì)闡述了沿空留巷巷道支護(hù)技術(shù)方案技術(shù)參數(shù)及其實踐應(yīng)用效果，以期能夠為其他煤礦企業(yè)提供一定的借鑒作用。

1 煤礦工作面及沿空留巷概況

某煤礦工作面的走向長度和傾斜長度分別為1 850 m 和 190 m 左右。煤層厚度在 1.32～2.53 m 范圍內(nèi)，平均厚度為1.63m，工作面傾角大小在3°～10°范圍內(nèi)，傾角平均值為5°左右。該煤層整體情況相對穩(wěn)定，且結(jié)構(gòu)很簡單，只有部分區(qū)域存在0.2 m 左右厚度夾矸。工作面的老頂、直接頂、偽頂分別以石灰?guī)r、細(xì)粒砂巖和頁巖為主，其厚度分別在7.63～10.24 m、1.12～4.32 m、0.1～0.5 m 范圍內(nèi)，平均厚度分別為7.28 m、2.86 m 和0.23 m。其中老頂整體上比較致密堅硬，但直接頂內(nèi)部包含有大量的泥質(zhì)砂巖，且部分地方存在裂隙發(fā)育，整體上較為松散。工作面直接底和老底分別以砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖為主，其厚度范圍分別為1.22～3.94 m 和1.01～4.32 m，厚度平均值分別約為2.52 m 和2.15 m。直接底的性質(zhì)決定了遇水時容易出現(xiàn)軟化的問題。該工作面的運輸巷道為了滿足實際需要采用的是沿空留巷工程，巷道的長度和寬度分別為4.8 m 和3 m。

2 沿空留巷支護(hù)技術(shù)方案的設(shè)計

2.1 基本支護(hù)技術(shù)參數(shù)

2.1.1 頂板支護(hù)技術(shù)參數(shù)

錨桿采用的是左旋高強度螺紋鋼錨桿，其直徑和長度分別為20 mm 和2.4 m，同排錨桿間距設(shè)置為0.8 m，相鄰兩排錨桿的間距設(shè)置為0.9 m，通過錨頭錨固的方式進(jìn)行安裝，預(yù)緊力矩設(shè)置為250 N·m。每根錨桿在安裝時需要使用一支樹脂型錨固劑。此外還需要配套使用拱形托盤，托盤必須具備有足夠的強度，其規(guī)格尺寸為160 mm×160 mm×80 mm。在錨桿安裝角度方面，與兩幫位置相鄰的錨桿安裝角度與頂板呈15°向外安裝，其余錨桿全部與頂板垂直安裝。

頂板錨索采用的是鋼絞繩，其直徑和長度分別為21.6 mm 和10.3 m，同排錨桿之間的距離設(shè)置為1.6 m，相鄰兩排錨桿之間的距離與錨桿一樣設(shè)置為0.9 m，通過端頭錨固的方式進(jìn)行安裝，錨索預(yù)緊力設(shè)置為260 kN。每根錨索在安裝時需要使用三支樹脂型錨固劑，此外也需要使用拱形托盤，托盤要求具備足夠強度，規(guī)格尺寸為160 mm×160 mm×100 mm。所有錨索均與頂板保持垂直安裝。

為了進(jìn)一步保障錨桿錨索的穩(wěn)定性，利用直徑為14 mm 的鋼筋將相鄰錨桿錨索進(jìn)行焊接連接，使之形成一個整體。除錨桿和錨索外，還使用了菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂，其中金屬網(wǎng)是通過5 號鋼筋焊接制作而成，菱形邊長為100 mm。菱形金屬網(wǎng)搭接時要求搭邊長度不低于100 mm，且利用鋼絲進(jìn)行牢固捆扎。

2.1.2 幫部支護(hù)

兩幫位置只需要使用金屬網(wǎng)和錨桿即可，無需使用錨索，且錨桿和菱形金屬網(wǎng)的型號、技術(shù)參數(shù)全部與頂板相同。幫部位置錨桿的間距設(shè)置為0.9 m，相鄰兩排錨桿之間的間距同樣設(shè)置為0.9 m。通過端頭錨固的方式進(jìn)行安裝，安裝時需要使用一支樹脂型錨固劑，全部與幫部平面保持垂直安裝。相鄰兩排錨桿利用直徑為14 mm 的鋼筋進(jìn)行焊接連接，使之形成一個整體提升穩(wěn)定性。

2.2 補強支護(hù)技術(shù)參數(shù)

以上基本支護(hù)技術(shù)方案在實踐中存在一定缺陷，導(dǎo)致巷道圍巖局部位置出現(xiàn)了較大的變形，存在一定的安全隱患，為了進(jìn)一步提升巷道圍巖穩(wěn)定性，在上述基礎(chǔ)支護(hù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了補強處理。在頂板位置增加設(shè)置預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絞線錨索，每排數(shù)量為3 根，錨索直徑和長度分別為21.6mm 和8.3m。同排錨索之間的距離設(shè)置為1.6 m，相鄰兩排之間的距離設(shè)置為1.8 m，錨索預(yù)緊力設(shè)置為260 kN。另外在幫部位置同樣設(shè)置規(guī)格和型號相同的錨索，每排設(shè)置2 根，間距設(shè)置為1.2 m，相鄰兩排錨索的距離設(shè)置為1.8 m，預(yù)緊力不得低于160 kN。鑒于煤柱部位比較特殊，在對應(yīng)位置幫底區(qū)域增加設(shè)置1 根錨桿，與幫部平面呈15°向下安裝，錨桿規(guī)格及安裝方式均與基本支護(hù)方案相同，如圖1 所示。

2.3 充填體支護(hù)技術(shù)參數(shù)

在工作面沿空留巷圍巖比較松軟的部位進(jìn)行工作時，需要通過充填體進(jìn)行充填。本研究中使用的充填體積水灰質(zhì)量比為1.5∶1，正常情況下充填體強度大小為10 MPa，充填體寬度大小為2 m。充填體是否穩(wěn)定對整個支護(hù)體系有重大影響，基于此在充填體內(nèi)部設(shè)計了鋼筋網(wǎng)，并且將鋼筋網(wǎng)與錨桿、錨索和菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行直接連接，使所有的支護(hù)單元形成完整的支護(hù)體系。

3 支護(hù)技術(shù)方案實踐應(yīng)用研究

3.1 巷道圍巖變形情況

為驗證本文設(shè)計的沿空留巷支護(hù)技術(shù)方案的實踐應(yīng)用效果，將該方案應(yīng)用到煤礦實踐中，對巷道圍巖表面變形情況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。

圖1 補強后的沿空留巷支護(hù)技術(shù)方案截面示意圖（未標(biāo)單位：mm）

1）監(jiān)測點設(shè)計。為了更加全面地對巷道圍巖表面變形情況進(jìn)行監(jiān)測，設(shè)置了4 個監(jiān)測點，相鄰監(jiān)測點之間的距離控制在20 m 左右，其中第1 個監(jiān)測點設(shè)置在與開切眼距離10 m 左右的位置。考慮到剛開始階段巷道圍巖表面變形情況比較顯著，所以在此階段每天進(jìn)行1 次監(jiān)測，后續(xù)則每周開展1 次監(jiān)測即可。為盡可能降低監(jiān)測誤差，每次開展測量時，需要單獨測量兩次取平均值，最終結(jié)果取4 個監(jiān)測點的平均值。

2）監(jiān)測結(jié)果分析。對沿空留巷巷道圍巖表面的變形情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，統(tǒng)計分析監(jiān)測結(jié)果，如圖2所示。從圖中可以看出，剛開始階段巷道圍巖表面變形速率相對較快，隨著時間推移其變形速率越來越慢，最終保持穩(wěn)定，沿空留巷巷道圍巖基本不再出現(xiàn)明顯的變形。整個變形期間巷道頂?shù)装宓淖冃嗡俾始s在3～12 mm/d 范圍內(nèi)，兩幫變形速率大約在2～7 mm/d 范圍內(nèi)。穩(wěn)定階段，設(shè)置的4 個監(jiān)測點其頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為 198 mm、213 mm、183 mm 和214 mm，平均值大小為202 mm。對應(yīng)的兩幫最大移近量分別為 89 mm、105 mm、98 mm 和 108 mm，平均值大小為100 mm。

通過對巷道圍巖表面變形情況進(jìn)行實地監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖累積變形在合理范圍內(nèi)，說明巷道圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制，不會出現(xiàn)非常大的變形進(jìn)而威脅煤礦開采安全。因此可以認(rèn)為本文設(shè)計的煤礦工作面沿空留巷巷道支護(hù)技術(shù)方案是科學(xué)合理的，能夠滿足實際使用需要，進(jìn)而保障煤礦開采安全。

3.2 經(jīng)濟效益分析

本文所述煤礦工作面采用沿空留巷開采技術(shù)，能夠減少掘進(jìn)巷道長度900 m。根據(jù)以往經(jīng)驗在掘進(jìn)巷道時每米需要約4 000 元成本，則在巷道掘進(jìn)成本方面可以節(jié)約360 萬元左右。采用沿空留巷開采技術(shù)可以多開采的寬度約為20 m，整個巷道長度約為900 m，煤層厚度平均值為1.63 m，煤礦開采率按96%計算，煤礦資源密度大小按1.4 t/m3計算，則可以多開采的煤炭約為3.94 萬t，按照煤炭資源售賣價格每噸500 元計算，則可以為煤礦企業(yè)創(chuàng)造1 970 萬元的收入?；谝陨戏治隹梢钥闯?，采用沿空留巷采煤技術(shù)并配合使用科學(xué)的支護(hù)技術(shù)方案，能夠為煤礦企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。

圖2 巷道圍巖表面變形情況統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié)論

沿空留巷開采技術(shù)在實踐中表現(xiàn)出了很大優(yōu)勢，因此其使用范圍越來越廣。但沿空留巷對巷道支護(hù)技術(shù)方案提出了相對較高的要求，通常需要在傳統(tǒng)的巷道支護(hù)技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行補強處理，才能夠保障其安全。本文基于某煤礦實際情況對沿空留巷支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行了系統(tǒng)全面的設(shè)計，基于實踐監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)設(shè)計的巷道支護(hù)技術(shù)方案能夠滿足實際使用需要，可以保障圍巖穩(wěn)定性從而確保煤礦開采安全。經(jīng)過初步統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，采用沿空留巷開采技術(shù)并配合使用先進(jìn)的支護(hù)技術(shù)方案，能夠為煤礦企業(yè)創(chuàng)造約2 330 萬元的收入，經(jīng)濟效益顯著。