無(wú)煤柱沿空留巷方案設(shè)計(jì)及效果分析

王念紅 劉戰(zhàn)軍 呂智勇

（河南大有能源股份有限公司新安煤礦，河南 新安 471800）

新安煤礦已采工作面采用傳統(tǒng)沿空留巷技術(shù)導(dǎo)致巷道形變量大、后期維護(hù)困難、采掘交替頻繁、施工緩慢等問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)有采掘布局及巷道頂?shù)装逄匦?，在試?yàn)工作面采用無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)[1-2]，留巷前預(yù)裂爆破頂板、留巷中分區(qū)域聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、留巷后及時(shí)監(jiān)測(cè)巷旁形變情況，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱沿空留巷。

1 工程概況

河南義馬煤業(yè)集團(tuán)新安煤礦試驗(yàn)工作面煤層均厚3.4 m，工作面位置的平均埋深為262 m，走向設(shè)計(jì)長(zhǎng)度730 m，切眼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度148 m。該煤層偽頂偶見(jiàn)0.5 m 松散易碎的碳質(zhì)泥巖；偽頂上方的直接頂是2.2 m 易破碎的泥巖；基本頂是均厚為19 m 的中粒砂巖，硬度3～5。為了減少巷道掘進(jìn)的工程量，實(shí)現(xiàn)煤炭資源回收最大化，決定對(duì)該工作面下巷設(shè)計(jì)使用無(wú)煤柱沿空留巷工藝，其斷面設(shè)計(jì)的寬×高=5.6 m×3.2 m。工作面平面布置如圖1。

圖1 工作面平面布置示意圖

2 無(wú)煤柱沿空留巷施工

2.1 無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)原理

無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)采用了預(yù)裂爆破工藝。該工藝可以對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化處理，在未受采動(dòng)影響的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行打鉆、裝藥、封孔、爆破等工作，最后使頂板預(yù)裂[3]。

首先，對(duì)目標(biāo)工作面下巷靠煤墻一側(cè)上方頂板進(jìn)行預(yù)裂，使其頂板的巖層斷裂，構(gòu)成易于垮落的斷臂梁結(jié)構(gòu)，而后使頂板在預(yù)裂的縫隙處垮落。同時(shí)，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的保護(hù)措施，維持頂板穩(wěn)定性。在工作面進(jìn)行回采作業(yè)之前，需要進(jìn)行注漿錨桿/錨索的打設(shè)，對(duì)頂板可起到加固的作用。在工作面進(jìn)行回采工作之后，需要選取合理的擋矸方法，使巷幫在沿?fù)蹴分粋?cè)形成，因此可以采用液壓抬棚與閉幫柱相互配合進(jìn)行支護(hù)，可有效減少留巷段受到的采動(dòng)壓力影響，并有效防止矸石進(jìn)入工作面。

2.2 預(yù)裂施工方案

由該工作面下巷頂?shù)装鍡l件分析得出爆破方案，使用逐組爆破的方法，1 個(gè)深孔和1 個(gè)淺孔一組，每次起爆4 組預(yù)裂孔。在鉆孔內(nèi)裝入已經(jīng)填好炸藥的PVC 管，使用炮泥封孔，PVC 管切縫方向與巷道走向方向平行，所有PVC 管的切縫線成一條直線。預(yù)裂爆破布置平面圖與裝藥構(gòu)造如圖2。

圖2 預(yù)裂爆破炮眼布置及裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

3 沿空留巷支護(hù)方案

3.1 “錨網(wǎng)索+鋼筋梯梁”聯(lián)合支護(hù)

該工作面采用的支護(hù)巷道方式為“錨網(wǎng)索+鋼筋梯梁”聯(lián)合支護(hù)。

（1）在頂板位置布設(shè)7 根左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，經(jīng)計(jì)算選用Ф22 mm×2500 mm 的錨桿，900 mm×900 mm 的間排距；在兩幫位置各布置5根左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，選用規(guī)格為Ф22 mm×2400 mm的錨桿，750 mm×900 mm的間排距。其中錨桿錨固力不低于100 kN（25 MPa），預(yù)緊力矩不小于260 N·m。

（2）頂板錨索采用具備高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力等特性的鋼絞線錨索。經(jīng)分析計(jì)算，選用錨索Ф17.8 mm×6000 mm，間排距可以為1400 mm×2700 mm，錨索初始張拉不低于160 kN（42.5 MPa），錨索的布置方式按照“3-0-0-3”結(jié)構(gòu)布置，如圖3。

圖3 采用“3-0-0-3”錨索支護(hù)平面

（3）選用規(guī)格Ф4 mm×900 mm×1600 mm 的冷拔絲軋花網(wǎng)，在兩塊網(wǎng)之間正常搭接兩格，并使用16#雙股鍍鋅鐵絲進(jìn)行單點(diǎn)捆扎，每組捆扎兩排，呈三花狀，每一排的捆扎點(diǎn)位于另外一排兩個(gè)捆扎點(diǎn)的中線上，每排捆扎的點(diǎn)間距設(shè)置為200 mm。

3.2 巷道補(bǔ)強(qiáng)加固設(shè)計(jì)

無(wú)煤柱沿空留巷主要是通過(guò)爆破的方法使頂板預(yù)裂，切斷頂板壓力傳遞的路徑[4]。在采動(dòng)過(guò)程中留巷段的圍巖受到采動(dòng)影響，會(huì)呈現(xiàn)出不相同的應(yīng)力變化區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況與圍巖變形檢測(cè)儀反饋數(shù)據(jù)綜合分析，工作面前后新出現(xiàn)三個(gè)區(qū)域，即位于超前支護(hù)區(qū)前部的超前切頂區(qū)、位于端頭支護(hù)區(qū)后150 m 范圍內(nèi)的滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)以及150 m 范圍外的穩(wěn)定成巷區(qū)。無(wú)煤柱沿空留巷區(qū)域圖如圖4。

圖4 無(wú)煤柱沿空留巷區(qū)域圖

3.2.1 留巷段支護(hù)設(shè)計(jì)

由于留巷段巖層形變量大，破斷區(qū)與塑性區(qū)范圍大，原有巷道支護(hù)的強(qiáng)度不能滿足留巷所需要的支護(hù)強(qiáng)度，需要對(duì)留巷段做進(jìn)一步加固處理。設(shè)計(jì)采用“錨網(wǎng)索+單體柱抬棚+液壓抬棚（自移支架）+36U 型擋矸柱”聯(lián)合支護(hù)的方式，設(shè)計(jì)斷面為梯形斷面，其上部的寬度為5200 mm，下部的寬度為6050 mm，巷高3200 mm，面積18 m2，擋矸柱扎角75°。該聯(lián)合支護(hù)的方式不但能增加支護(hù)強(qiáng)度，有效控制頂?shù)装鍎×倚巫?，還可以減少巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)巷道產(chǎn)生的不利影響，保持圍巖完整。具體布置參數(shù)如圖5。

圖5 沿空留巷支護(hù)斷面圖

3.2.2 巷道超前區(qū)補(bǔ)強(qiáng)加固

受工作面回采與開(kāi)掘巷道應(yīng)力作用[5]，在工作面前端20 m 的范圍內(nèi)產(chǎn)生破壞區(qū)域，需要對(duì)該段破壞區(qū)進(jìn)行超前補(bǔ)強(qiáng)加固，采用Ф22 mm×6300 mm 的中空注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)加固。錨索設(shè)置的預(yù)緊力應(yīng)該至少保證能夠達(dá)到150 kN，錨固力應(yīng)至少保證能夠達(dá)到200 kN，中空注漿錨索的注漿壓力應(yīng)保證高于7 MPa。要求頂部錨索同步進(jìn)行，不允許滯后。補(bǔ)強(qiáng)錨索超前切頂眼不小于150 m。

巷道下幫的支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)該在原支護(hù)方案基礎(chǔ)上，每排新增加2 根錨索對(duì)巷幫進(jìn)行支護(hù)，錨索布設(shè)在距頂板900 mm 的位置上，并設(shè)置其間排距1400 mm×900 mm，上部錨索與煤墻夾角設(shè)計(jì)為65°向上，下部錨索與煤墻夾角設(shè)計(jì)為65°向下，穿入巷道頂、底板。每排布設(shè)2 根錨索，并用錨索梁進(jìn)行相互連鎖，錨索梁布置在兩排錨桿中間，錨索梁長(zhǎng)2600 mm，眼間距1400 mm，如圖6。

圖6 超前區(qū)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意圖

3.2.3 滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)支護(hù)

（1）工作面開(kāi)始回采后，采空區(qū)在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)垮落，沿空留巷段逐漸呈現(xiàn)出圍巖破壞區(qū)，其范圍在支架后部150 m 以內(nèi)，該區(qū)域不但需要補(bǔ)強(qiáng)頂板支護(hù)，還需要進(jìn)行擋矸支護(hù)[6]。

（2）采空區(qū)側(cè)采用“擋風(fēng)布+金屬網(wǎng)+背木+擋矸柱+連板”方式背幫。金屬網(wǎng)與頂部原鋼筋網(wǎng)搭接，擋風(fēng)布布置在金屬網(wǎng)內(nèi)側(cè)。所選用背木的規(guī)格為Ф80 mm×800 mm，設(shè)計(jì)布置間距為300 mm，用14#的鐵絲綁扎于金屬網(wǎng)上，每根背木需要綁扎2 處，綁扎的間距為500 mm。擋矸柱選用2 段長(zhǎng)度均為2000 mm 的36U 型鋼制成。上部擋矸柱托盤(pán)上鉆孔，上部擋矸柱與頂板之間打設(shè)2根錨桿進(jìn)行固定，設(shè)計(jì)選用錨桿的規(guī)格應(yīng)為Ф20 mm×1000 mm，外露100 mm；下部應(yīng)插入底板，設(shè)計(jì)插入的深度應(yīng)滿足大于200 mm。擋矸柱間距650 mm，扎角75°。滯后臨時(shí)支護(hù)如圖7。

圖7 滯后臨時(shí)支護(hù)示意圖

（3）隨工作面推進(jìn)，在端頭支護(hù)區(qū)域沿空留巷下幫打設(shè)一排單體柱抬棚對(duì)頂板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。抬棚采用“3 mπ 型梁+3.15 m 單體柱”，一梁三柱，兩柱間距1 m，并且至少保證90 kN 的初撐力；抬棚打設(shè)成直線。在采空區(qū)側(cè)頂板第四、五排錨索之間打設(shè)一排液壓抬棚，初撐力不低于24 MPa。

3.2.4 成巷穩(wěn)定區(qū)支護(hù)

采空區(qū)隨著工作面的推進(jìn)而不斷垮落并逐漸趨于穩(wěn)定，在支架后部150 m范圍以外形成成巷穩(wěn)定區(qū)。

使用“十字交叉法”在穩(wěn)定成巷的巷道內(nèi)每50 m 對(duì)巷道表面出現(xiàn)的位移情況進(jìn)行觀測(cè)，使用頂板離層儀在已經(jīng)穩(wěn)定成巷的巷道內(nèi)觀測(cè)巷道頂板離層情況，其安裝間隔為25 m。通過(guò)巷道表面位移情況和離層情況分析留巷壓力峰值位置和壓力相對(duì)穩(wěn)定位置，結(jié)合頂板離層檢測(cè)儀反饋的離層數(shù)據(jù)分析，綜合評(píng)價(jià)成巷區(qū)的穩(wěn)定性，可回撤臨時(shí)支護(hù)液壓抬棚（自移支架）和單體柱抬棚，進(jìn)行下一循環(huán)滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)支護(hù)。

4 應(yīng)用效果

（1）有效提高回采率。選用無(wú)煤柱沿空留巷的技術(shù)工藝之后，可以多開(kāi)采相鄰兩工作面之間預(yù)留的25 m 支撐煤柱，預(yù)計(jì)可多回收原煤約4.8 萬(wàn)t，初步估計(jì)可以產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益約2500 萬(wàn)元，并減少巷道掘進(jìn)費(fèi)用約56 萬(wàn)元。

（2）有效緩解采掘矛盾。采用無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)后可有效減少兩工作面連續(xù)開(kāi)采間隔期。

（3）有效提高巖層穩(wěn)定性。采用無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)后，可以有效減少覆巖應(yīng)力對(duì)巷道破壞作用，不但可以提高采掘工作安全性能，還降低支護(hù)工作阻力，減少支護(hù)工作的成本。