神府礦區(qū)淺埋薄基巖煤層沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用研究

李 雄

（榆林神華能源有限責(zé)任公司郭家灣煤礦，陜西 神木 719300）

1 礦區(qū)地質(zhì)情況介紹

1.1 礦區(qū)地層

陜北侏羅紀(jì)煤田神府礦區(qū)地層屬華北地層區(qū)，鄂爾多斯地層分區(qū)，東勝-環(huán)縣地層小區(qū)。根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭露的地質(zhì)信息，礦區(qū)地層依次為：（T3y）三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組，（J1f）侏羅系下統(tǒng)富縣組，（J2y）侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組（J2z）、安定組（J2a），白堊系下統(tǒng)洛河組（K1l），新近系（R）及第四系（Q）[1]。

1.2 新民礦區(qū)地質(zhì)情況

該礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地?cái)鄮?，中朝大陸板塊，區(qū)內(nèi)地形較復(fù)雜，地貌類型多樣。西部與毛烏沙漠相鄰，區(qū)內(nèi)受其影響，沙丘、沙梁、沙坡、沙地屢見不鮮；東部溝壑縱橫，梁峁相間，地形支離破碎，多為離石組黃土覆蓋，地表植被稀疏，水土流失較嚴(yán)重。屬半干旱大陸季風(fēng)性氣候，降水量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，四季分明，冬春兩季多受風(fēng)沙危害和影響。地表水系均屬黃河水系，主體水流為北西-南東向[2]。

1.3 可采煤層

井田內(nèi)達(dá)到全區(qū)可采和局部可采的煤層共有7層，由上到下為4-2上-1、4-2上-2、4-3、4-4、5-1上、5-1、5-2號(hào)煤層，各煤層的位置、厚度、結(jié)構(gòu)、頂?shù)装鍘r性、平面特征及可采性由于篇幅原因暫不詳述。本文主要針對(duì)5-1、5-2號(hào)煤層的沿空留巷技術(shù)開展研究[3]。

2 沿空留巷有關(guān)的技術(shù)條件

2.1 主要可采煤層頂?shù)装迩闆r

2.1.1 煤層頂板穩(wěn)定性

5-1號(hào)煤層頂板屬不穩(wěn)定～較穩(wěn)定型（Ⅰ～Ⅱ），零星地段屬穩(wěn)定型（Ⅲ）。5-2號(hào)煤層頂板以中細(xì)粒砂巖及粉砂巖為主，局部為泥巖，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD＝100%，巖體完整，基本屬較穩(wěn)定～穩(wěn)定型（Ⅱ～Ⅲ）。

2.1.2 煤層底板穩(wěn)定性

5-1號(hào)煤層底板以泥巖、粉砂巖為主，細(xì)粒砂巖零星分布，巖體較完整，RQD＝80%，屬不穩(wěn)定～較穩(wěn)定型（Ⅰ～Ⅱ）。5-2號(hào)煤層底板以粉砂巖、泥巖為主，細(xì)粒砂巖局部分布，巖體較完整～完整，RQD為84%～93%，屬于較穩(wěn)定型（Ⅱ）。

2.2 瓦斯

依據(jù)地質(zhì)報(bào)告，井田內(nèi)共采集瓦斯樣品108個(gè)，均為現(xiàn)場(chǎng)解吸瓦斯煤樣。測(cè)試結(jié)果表明，各煤層現(xiàn)場(chǎng)解吸瓦斯量均為零。化驗(yàn)室測(cè)定成果中，瓦斯自然成分中N2的含量為72.58%～100%，CH4氣含量為0～14.36%；煤層瓦斯含量中CO2的含量為0～2.39 m3/t，CH4含量為0～0.39m3/t。根據(jù)瓦斯分帶標(biāo)準(zhǔn)，井田煤層瓦斯分帶均屬瓦斯風(fēng)化帶，主要為氮?dú)?二氧化碳帶和氮?dú)鈳А?/p>

另?yè)?jù)周邊小煤礦調(diào)查資料，各礦歷史開采過程中均未發(fā)生過瓦斯爆炸事故。同時(shí)，本礦井西部的大柳塔礦井、哈拉溝礦井和石窯店礦井等生產(chǎn)礦井均屬于瓦斯礦井。

3 沿空留巷基本機(jī)理與圍巖控制技術(shù)

沿空留巷是維護(hù)在工作面后方的采空區(qū)邊緣巷道，即在工作面回采過程中，通過有效的巷旁充填和巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)，將原巷道保留下來，作為鄰近工作面的一條巷道使用向，如圖1所示[1]。

圖1 沿空留巷

沿空留巷是一類特殊的回采巷道，受強(qiáng)烈的上覆巖層活動(dòng)全過程影響，特別是滯后采動(dòng)壓力影響時(shí)間長(zhǎng)，附加采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)大，圍巖破壞范圍大，巷道難以穩(wěn)定。采場(chǎng)礦壓理論認(rèn)為：隨著工作面的推進(jìn)，基本頂初次來壓形成“O-X”破斷；周期來壓在工作面端頭形成弧形三角塊，沿空留巷在其下方，弧形三角塊的運(yùn)動(dòng)及是否再次破斷對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定起到控制作用[1]。

4 沿空留巷基本頂破斷機(jī)理

不同的支護(hù)方式會(huì)影響基本頂?shù)钠茢辔恢煤托螒B(tài)，高阻力的巷旁支護(hù)切頂高度大，冒落矸石能充填滿采空區(qū)承載更上位巖層，減少巷旁支護(hù)體載荷；實(shí)煤體幫的高強(qiáng)度錨桿支護(hù)可減少基本頂斷裂線距實(shí)煤體幫表面的距離，減少作用在巷旁支護(hù)上的載荷，從而減少頂板下沉量；高強(qiáng)度巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)（主要是巷旁支護(hù)）可能使基本頂斷裂線由實(shí)煤體上方向采空區(qū)一側(cè)轉(zhuǎn)移[4]。高強(qiáng)度的巷旁支護(hù)首先在充填體采空區(qū)側(cè)上方將基本頂切斷，當(dāng)切頂達(dá)到一定高度后，充填體沒有能力再繼續(xù)切斷更上位基本頂時(shí)，基本頂就會(huì)在實(shí)煤體上方再次發(fā)生斷裂。

基本頂?shù)?次破斷：位于工作面后方的實(shí)煤體側(cè)上方，基本頂初次來壓形成“O-X”破斷向[5]。此時(shí)，由于巷旁支護(hù)還未很好起到支撐作用，弧形三角塊破斷時(shí)受到巷旁支護(hù)的支撐作用小，當(dāng)達(dá)到極限跨度時(shí)，弧形三角塊首先在實(shí)煤體側(cè)發(fā)生第1次斷裂。

基本頂?shù)?次破斷：在充填體側(cè)（采空區(qū)側(cè)）上方。隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，關(guān)鍵塊以斷裂線為轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)向采空區(qū)側(cè)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度不斷增大，此時(shí)，巷旁支護(hù)體已具有較高的強(qiáng)度，在切頂阻力作用下，關(guān)鍵塊在充填體采空區(qū)側(cè)上方發(fā)生第2次斷裂。

大量的實(shí)測(cè)表明，在第一個(gè)工作面推過后，沿空留巷頂板巖層活動(dòng)劇烈，具有明顯的階段性活動(dòng)特點(diǎn)。為此，沿空留巷圍巖變形劃分為三個(gè)階段，即一次采動(dòng)影響階段、留巷穩(wěn)定階段和二次回采超前影響階段。

5 沿空留巷充填材料與快速充填技術(shù)研究

目前，國(guó)內(nèi)較為成熟的充填材料有混凝土材料和高水材料，其中沿空留巷行旁充填混凝土設(shè)計(jì)與普通混凝土設(shè)計(jì)相比，砂率要比普通混凝土大，通常情況下為45%～50%；石子的最大粒徑要與輸送管的直徑及柔模厚度相適應(yīng)，通常最大粒徑小于20 mm，一般采用5～16 mm；攪拌的混凝土水灰比取0.4～0.6為宜；坍落度宜為180～250 mm。

高水材料本身和相關(guān)技術(shù)已經(jīng)完善，在多個(gè)礦務(wù)局現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后，留巷效果良好。其本質(zhì)是一種能在高水灰比（W/C=1.3:1～3:1）下快速凝結(jié)的特種水泥。為便于使用，該材料出廠后分為甲料、乙料、加甲料及加乙料四部分，制漿時(shí)加甲料與甲料混合形成甲料漿，高水材料在使用過程中要注意甲、乙兩種料混合均勻、等量進(jìn)漿，這樣更容易讓強(qiáng)度達(dá)到最大。漿液輸送應(yīng)采用雙液等量注漿泵，分別將已攪拌均勻的漿液輸送到充填點(diǎn)。選用2ZBSB20050/515-37液壓注漿泵，該泵最大排量為200 L/min，最大輸送壓力可達(dá)15 MPa，輸送距離達(dá)2 000 m。

巷旁充填系統(tǒng)的布置如圖2所示，主要環(huán)節(jié)包括井下充填泵站、輸送管路、充填點(diǎn)。

圖2 充填泵站布置

充填工藝與流程如下：首先，按比例將當(dāng)天需要的料進(jìn)行配備，并由卸料工將當(dāng)天所需料搬運(yùn)到充填泵站各自的存放處，注意避免混放。其次，在充填點(diǎn)進(jìn)行搭建模型，然后構(gòu)筑巷旁充填體。對(duì)充填空間區(qū)域頂板進(jìn)行支護(hù)，根據(jù)巷道已經(jīng)構(gòu)筑好的充填體快速定位好充填空間位置，必須做到滿足安全要求。最后，進(jìn)行充填，在充填泵站，甲料、乙料分別在攪拌桶進(jìn)行攪拌，最好預(yù)留一個(gè)備用的攪拌桶，攪拌好的料分別通過管道輸送至構(gòu)筑好的充填模型中進(jìn)行混合，便完成了整個(gè)澆筑，充填體將在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到強(qiáng)度要求。

6 采用沿空留巷的效益分析

6.1 緩解接續(xù)緊張

沿空留巷實(shí)現(xiàn)了一巷兩用，能顯著降低巷道掘進(jìn)率，緩解采掘接替矛盾。沿空留巷技術(shù)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)開采。同時(shí)，無煤柱沿空留巷節(jié)約了區(qū)段煤柱，可提高采區(qū)采出率10%，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

6.2 Y型通風(fēng)促進(jìn)了采面安全生產(chǎn)

沿空留巷使系統(tǒng)兩進(jìn)一回，工作面的上下巷都進(jìn)風(fēng)，留巷末端是系統(tǒng)風(fēng)壓的最低點(diǎn)，采空區(qū)漏風(fēng)主要流向留巷，回采工作面形成Y型通風(fēng)，采用Y型通風(fēng)與U型通風(fēng)相比，更符合風(fēng)流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，消除了工作面上隅角瓦斯積聚問題。同時(shí)，工作面運(yùn)輸、供電、供水等管路都安設(shè)在新鮮風(fēng)流中，回風(fēng)巷成為專用回風(fēng)巷，因而顯著提高生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性。另外，沿空留巷可作為瓦斯抽放巷，可抽放相鄰煤層瓦斯以便其安全開采[5]。

6.3 降低了掘進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)，有利于礦井安全生產(chǎn)

無煤柱開采在很大程度上消除了自然發(fā)火的根源和概率，同時(shí)，沿空留巷在已掘進(jìn)的巷道施工，地質(zhì)情況清楚，施工條件可靠，施工設(shè)備簡(jiǎn)單，無需防突打鉆，無需局部通風(fēng)，減少了施工安全隱患。

1 陳炎光，錢鳴高.中國(guó)煤礦采場(chǎng)圍巖控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

2 劉 奎.大跨度切眼巷道圍巖變形破壞機(jī)制及控制[J].煤炭與化工，2015，38（2）：84-85.

3 李思超，神文龍，劉 洋.大斷面動(dòng)采煤巷變形破壞規(guī)律及控制技術(shù)[J].煤炭技術(shù)，2015，（11）：85-87.

4 弓培林.大采高采場(chǎng)圍巖控制理論及應(yīng)用研究[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

5 牛少卿，楊雙鎖，李 義，等.大跨度巷道頂板層面剪切失穩(wěn)機(jī)理及支護(hù)方法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（2）：325-331.