沿空留巷現(xiàn)場施工關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用

張士鈺，張良飛，仲曉偉

(1. 西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 官地礦，山西 太原 030053； 2. 太原科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，山西 太原 030024；3. 西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 屯蘭礦，山西 太原 030206)

傳統(tǒng)的高瓦斯礦井綜采工作面布置為 “一面三巷”(皮帶順槽、軌道順槽、回風(fēng)順槽)，采用“U+L”通風(fēng)系統(tǒng)。該布置方式存在噸煤掘進(jìn)率較高、獨(dú)頭尾巷及保護(hù)煤柱損失等問題。根據(jù)山西焦煤集團(tuán)公司“逐步取消自然發(fā)火傾向煤層采煤工作面排瓦斯尾巷”的瓦斯治理思路，結(jié)合礦井地質(zhì)開采條件，研究應(yīng)用無煤柱沿空留巷技術(shù)，采用Y型通風(fēng)方式，對緩解礦井采掘抽銜接緊張局面，提高資源回收率，降低噸煤成本，實(shí)現(xiàn)礦井安全高效可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 技術(shù)優(yōu)勢

1) 降低高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井瓦斯治理難度。傳統(tǒng)“U+L”型通風(fēng)方式通過排瓦斯橫貫排放瓦斯，誘發(fā)了采空區(qū)瓦斯大量涌出，同時形成高瓦斯區(qū)域(上隅角至排瓦斯橫貫段)。Y型通風(fēng)系統(tǒng)將改變采空區(qū)瓦斯運(yùn)行線路，充填墻體實(shí)現(xiàn)了對采空區(qū)的隔離，消除了上隅角至排瓦斯橫貫段以及尾巷瓦斯超限的隱患。

2) 緩解礦井抽掘采銜接緊張局面。采用“U+L”型通風(fēng)方式的礦井，萬噸掘進(jìn)率較高。沿空留巷無煤柱開采工藝大幅度減少巷道掘進(jìn)工程量，使沿空巷道復(fù)用為下一個工作面順槽，有利于提前構(gòu)成工作面，為瓦斯抽采提供更加充裕的時間和空間，在很大程度上緩解采、掘、抽銜接緊張問題。

3) 延長礦井服務(wù)年限。取消相鄰工作面保護(hù)煤柱后，采區(qū)煤炭資源回收率大幅度提高，礦井的服務(wù)年限將明顯延長。

2 沿空留巷工作面概況

屯蘭礦是山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司所屬的一座特大型現(xiàn)代化礦井，屬煤與瓦斯突出礦井。2016年瓦斯等級鑒定結(jié)果：礦井絕對瓦斯涌出量為196.4 m3/min，相對瓦斯涌出量為23.1 m3/t. 沿空留巷工作面18205位于南二盤區(qū)(下組煤)，可采走向長度1 351 m，切眼長度211 m，開采8#煤，煤層平均厚度3.3 m，可采儲量117萬t. 工作面 “借用”下接面18207軌道順槽及切眼，三巷平行布置，皮帶順槽及軌道順槽進(jìn)風(fēng)，沿空留巷及借用巷道回風(fēng)。

順槽斷面為矩形，均采用全錨支護(hù)方式支護(hù)。皮帶順槽(機(jī)軌合一)凈高3.5 m，凈寬5 m，斷面17.5 m2. 軌道順槽為沿空留巷巷道，凈高3.5 m，凈寬5.5 m，斷面19.25 m2. 切眼凈高3.3 m，凈寬7.5 m. 沿空留巷充填循環(huán)進(jìn)度為2.4 m，寬度2.5 m(充填體占順槽寬度0.9 m、采空區(qū)寬度1.6 m). 工作面采高3.3 m、循環(huán)進(jìn)度0.8 m. 主要工序：運(yùn)料、割煤、充填空間維護(hù)、空間布置、墻體充填、噴漿接頂、巷道維護(hù)。采煤機(jī)型號為MG400/920-WD、刮板輸送機(jī)型號為SGZ-880/800、液壓支架型號為ZY5600/20/42(137臺)、巷旁充填液壓支架型號為ZMC15000/25/42(1臺)、ZMC13600/25/42(1臺)。充填泵型號為BSM1002E，充填泵技術(shù)參數(shù)：最大輸送壓力10 MPa、理論最大排量20 m3/h、料斗容積220 L、攪拌機(jī)排量15 L、電機(jī)功率75 kW.

3 現(xiàn)場施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大斷面巷道施工技術(shù)

3.1.1大斷面巷道支護(hù)技術(shù)

工作面兩順槽均屬大斷面巷道(皮帶順槽斷面為5 m×3.5 m、軌道順槽斷面為5.5 m×3.5 m)，傳統(tǒng)的支護(hù)技術(shù)滿足不了大斷面巷道支護(hù)要求。結(jié)合煤層頂板巖性，采用二次成巷技術(shù)，在原4.5 m寬巷道的基礎(chǔ)上擴(kuò)幫，同時采用角錨索補(bǔ)強(qiáng)的支護(hù)方式有效控制頂板，為工作面正常生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。具體支護(hù)參數(shù)見圖1.

圖1 大斷面巷道支護(hù)示意圖

3.1.2靜態(tài)破碎拉底技術(shù)

8#煤煤層厚為2.3～3.74 m，平均厚度為3.3 m，而沿空留巷要求軌道順槽最低高度為3.5 m、回風(fēng)巷道高度為3.7 m，工作面順槽大部分高度不夠。在掘進(jìn)機(jī)難以直接截割而爆破施工又影響瓦斯抽采系統(tǒng)的條件下，采用二次成巷的方法(即巷道沿煤層施工完畢后進(jìn)行拉底)施工。引進(jìn)HSCA型高效無聲靜態(tài)破碎劑，順利完成了5 000 m的巷道拉底工程。

3.2 墻體補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)

由于充填料粒徑影響了充填墻體的強(qiáng)度，頂板來壓后將會破壞墻體的整體結(jié)構(gòu)，結(jié)合充填模板支架空間、礦井運(yùn)輸條件，采取了墻體補(bǔ)強(qiáng)措施。充填前在充填空間內(nèi)架設(shè)3片鋼筋網(wǎng)并用d16 mm鋼筋縱向聯(lián)接，增加了墻體的整體強(qiáng)度。墻體內(nèi)部補(bǔ)強(qiáng)見圖2.

圖2 充填墻體內(nèi)部補(bǔ)強(qiáng)示意圖

新舊墻體膠結(jié)強(qiáng)度較小，容易造成墻體之間裂縫，為了防止新舊墻體因底板不平整或受力不均勻產(chǎn)生縫隙，導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯泄漏，在上一充填墻體正中均勻預(yù)埋兩排(6根)L型d20 mm×2 000 mm的圓鋼，每排3根、排距0.6 m、最上一根距頂板約1 m、L型圓鋼角度為120°；下一墻體充填前將其外露部分拉直,用于減少相鄰兩充填體的相對位移，避免裂縫的產(chǎn)生。

3.3 超前角度錨索支護(hù)

沿空留巷上覆巖層為懸臂結(jié)構(gòu)，工作面回采后重新分布的壓力將導(dǎo)致墻體受力集中。根據(jù)充填墻體上覆巖層及墻體的受力特征，為防止墻體因應(yīng)力集中而破壞變形，設(shè)計了加長角度錨索，錨索規(guī)格：d17.8 mm×8 500 mm,與頂板夾角為60°，間距2.0 m. 將墻體上覆巖層固定在深部穩(wěn)定的巖層中，減少上覆巖層對墻體的破壞。超前角度錨索設(shè)計見圖3.

圖3 超前角度錨索支護(hù)示意圖

3.4 墻體堵漏技術(shù)

由于墻體接頂不良、舊墻體正面的雙抗PVC布未扯凈、充填處墻體底板不平、浮煤未清理徹底等原因，均可導(dǎo)致新舊墻體搭接處裂縫，采空區(qū)瓦斯將會沿裂縫擴(kuò)散至回風(fēng)巷內(nèi)造成瓦斯超限。

3.4.1方案設(shè)計

根據(jù)瓦斯泄漏位置及分布情況，確定墻體主要裂縫為上部頂板、噴漿接頂處以及充填墻體上半部。為避免有機(jī)注漿材料注漿過程中反映溫度過度引燃高濃度瓦斯，采用黏接力強(qiáng)、流動性好、膨脹系數(shù)高的無機(jī)注漿材料進(jìn)行堵漏。

3.4.2注漿主要設(shè)備與材料

1) 氣動高壓雙液注漿泵(型號ZBQ-5/12型)。

2) MQT-120氣動錨桿鉆機(jī)。

3) 自制注漿錨桿。

4) 粉煤灰、速凝固化劑。新型速凝固化劑庫爾拜作為封堵材料進(jìn)行充填加固，初凝時間為30～40 min，抗壓強(qiáng)度大于5 MPa，膨脹系數(shù)3%～5%，材料配比：粉煤灰∶固化劑=1∶2.

3.4.3注漿加固工藝

標(biāo)孔→鉆孔→檢查鉆孔質(zhì)量→安裝注漿管及封孔部件→封孔→準(zhǔn)備漿液→開泵注漿→凝固→檢查注漿質(zhì)量→驗(yàn)收。

3.4.4注漿孔的設(shè)計

從頂板向下500～600 mm定開孔，傾斜30°向采空區(qū)施工注漿孔，穿過墻體、噴漿層以及破碎頂板，孔深1.7 m，外露0.3 m，間距1.0 m. 鉆孔布置見圖4.

3.4.5效果分析

留巷墻體與頂板及墻體與墻體結(jié)合處經(jīng)過加固后，瓦斯涌出量顯著減小，瓦斯?jié)舛扔?%降至0.5%，能夠保證工作面正?；夭?。

3.5 超重超高超長模板支架安裝技術(shù)

沿空留巷核心設(shè)備為側(cè)模板支架、后模板支架及YZM1880/26/40型液壓模板。側(cè)模板支架單臺重量79.2 t，不可拆分最大單件重量達(dá)16 t，該支架高度為2.5～4.2 m，支架最大長度11.5 m. 而副斜井JK-2.5提升機(jī)最大載荷為20 t，且井下5 m以上為超長運(yùn)輸，無法滿足支架整體下井安裝要求。因此，必須選擇地面解體，井下安裝的方式。

針對井下安裝存在的兩個問題：1) 支架組裝時的吊裝問題。2) 支架組裝后從吊裝硐室沿5°坡提升至切眼安裝位置期間的運(yùn)輸難題。根據(jù)模板支架的外形尺寸，在軌道順槽切眼后部施工模板支架安裝硐室，硐室內(nèi)安設(shè)風(fēng)動提升機(jī)支架解決組裝難題。

風(fēng)動提升機(jī)型號為JDN-20，最大載荷20 t，最大安裝高度1 140 mm，結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，提升安全系數(shù)高，動力源采用礦井壓風(fēng)系統(tǒng)，配合450 A型H型鋼為吊裝梁，在凈高5.5 m吊裝硐室內(nèi)完全滿足吊裝所需技術(shù)參數(shù)。模板支架硐室設(shè)計見圖5.

圖5 模板支架硐室平剖面圖

3.6 充填料連續(xù)運(yùn)輸工藝

針對充填料運(yùn)輸任務(wù)量大、運(yùn)輸環(huán)節(jié)多的特點(diǎn)，工作面軌道順槽及采區(qū)軌道大巷內(nèi)均采用了以無極繩連續(xù)牽引車代替調(diào)度絞車的運(yùn)輸方案，成立了專門運(yùn)輸組，在拌料機(jī)外設(shè)計了專用車場，規(guī)定了所有作業(yè)人員繞行集中膠帶巷的制度，形成了專職人員專線連續(xù)運(yùn)輸?shù)母窬郑溯o助運(yùn)輸制約正常生產(chǎn)的“瓶頸”。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

工作面可采長度1 351 m，工作面長211 m，煤層總厚3.3 m，可采儲量117萬t. 按日產(chǎn)4 000 t計算，日推進(jìn)4.8 m，可采期270天。

4.1 沿空留巷工作面節(jié)省費(fèi)用

1) Y型通風(fēng)與U+L型通風(fēng)相比，少施工回風(fēng)順槽，沿空所留巷道二次復(fù)用，服務(wù)于下一個工作面，其節(jié)約巷道及橫貫成本：

M1=L1×m1+L2×m2=1 400×0.37+540×0.15=599 (萬元)

式中：

L1—巷道長度，m，取1400(含準(zhǔn)備巷)；

m1—施工巷道每米掘進(jìn)進(jìn)尺成本，萬元/m，煤巷取0.37；

L2—橫貫長度，取m；

m2—施工橫貫每米掘進(jìn)進(jìn)尺成本，萬元/m，煤巷取0.15.

2) 減少了橫貫密閉工作量，節(jié)省成本：M2=a×

m=27×2=54(萬元)。

3) 多回收煤柱(12萬t)的收益：M=12×600=7 200(萬元)。

以上各種節(jié)省費(fèi)用與收益合計7 853萬元。

4.2 沿空留巷投入

1) 充填墻體材料成本(14.9元/t)：14.9×117=1 746萬元。

2) 充填泵等特殊設(shè)備和管路增加安裝費(fèi)用：10萬元。

3) 耗電費(fèi)用：充填泵功率為75 kW，螺旋輸送機(jī)功率為5 kW，無極繩絞車功率為130 kW，預(yù)計每天充填、運(yùn)輸4 h，則運(yùn)輸及充填施工耗電為840 kWh. 按每工作面生產(chǎn)270天計，充填施工相關(guān)耗電總量為22.68萬kWh，按電費(fèi)0.55元/kWh計，耗電總費(fèi)用約12萬元。

4) 增加的巷道維護(hù)費(fèi)用：沿空留巷復(fù)用每米維護(hù)費(fèi)用為450元，需投入費(fèi)用60萬元。

5) 人工費(fèi)用：一支專業(yè)隊伍用于運(yùn)輸、充填、維護(hù)，而施工回風(fēng)順槽同樣需要一支掘進(jìn)隊伍及輔助隊伍，因此人工費(fèi)用基本抵消。

工作面增加的費(fèi)用合計1 828萬元。

綜上所述，采用沿空留巷增加的效益為6 025萬元。

通過對多個使用沿空留巷工作面費(fèi)用分析得知：快速沿空留巷工作面噸煤成本平均增加20元，與節(jié)約的巷道施工、維護(hù)費(fèi)用大體相當(dāng)，回收煤柱收益基本上為項(xiàng)目實(shí)施的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語

盡管沿空留巷快速充填技術(shù)在屯蘭礦已經(jīng)取得成功，但仍有一些問題需要逐步解決。需對充填墻體二次采動影響下受力情況進(jìn)行深入研究，充填接頂、讓壓技術(shù)尚需進(jìn)一步優(yōu)化，充填墻體受損泄漏瓦斯的隱患仍然存在。隨著切頂卸壓沿空成巷技術(shù)的不斷應(yīng)用，并與沿空留巷快速充填技術(shù)有機(jī)結(jié)合，充填墻體強(qiáng)度及寬度要求適當(dāng)降低，充填工藝對工作面產(chǎn)量制約將減小，噸煤成本將逐步降低，沿空留巷Y型通風(fēng)技術(shù)將逐步完善。