大采高工作面沿空留巷技術(shù)研究

閆藝銘

（山西汾西正文煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 孝義 032300）

引言

巷旁充填沿空留巷由于具有圍巖控制效果好、留巷段漏風(fēng)率低以及綜合留巷成本低等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦應(yīng)用較為普遍[1]?，F(xiàn)階段常用的沿空留巷技術(shù)有巷旁充填、小煤柱護(hù)巷沿空掘巷以及切頂卸壓留巷技術(shù)等[2-3]。山西某礦主采的8 號煤厚度3.98 m，埋深420 m、傾角5°，回采工作面一般采用留設(shè)20 m煤柱方式護(hù)巷。但是留設(shè)護(hù)巷煤柱也存在煤炭資源回收率低、巷道掘進(jìn)工程量大以及下層10 號煤層回采工作面局部位置應(yīng)力集中等問題。為此，在8 號煤層5809 綜采工作面回風(fēng)順槽實(shí)施沿空留巷技術(shù)并對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

1 工程概況

5809 綜采工作面位于5 采區(qū)西翼，西為采區(qū)集中回風(fēng)上山、南為實(shí)體煤、北為采空區(qū)道。工作面平均埋藏深度在420 m，所采區(qū)域內(nèi)8 號煤層厚度在2.52～5.69 m，平均3.98 m。開采范圍內(nèi)未探測到有對采面生產(chǎn)影響較為明顯的褶曲、陷落柱以及斷層等地質(zhì)構(gòu)造。

8 號煤頂板以砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板為粉砂巖、石灰?guī)r，頂板較為穩(wěn)定。5809 回風(fēng)巷為矩形斷面（寬、高分別為 4 500 mm、4 100 mm）、長度 1 350 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)工藝。

文中結(jié)合礦井實(shí)際情況及相關(guān)研究成果，提出采用巷旁充填留巷方式。

2 巷旁充填體寬度確定

采用數(shù)值模擬技術(shù)對不同留巷寬度（1.8 m、2.4 m、3.0 m、3.6 m 以及4.2 m）時圍巖變形量進(jìn)行模擬分析，具體模擬結(jié)果見圖1。從圖中看出，巷旁充填寬度由1.8 m 增加至3.0 m 時，巷幫以及頂?shù)装遄冃瘟砍士焖仝厔?；寬度?.0 m 增加至4.2 m 時圍巖變形成明顯降低。充填體寬度3.0 m 是圍巖變形的一個顯著轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖1 不同寬度圍巖變形曲線

根據(jù)以往研究成果以及其他礦井沿空留巷工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)[4-7]，為了確保充填墻體穩(wěn)定，采用的充填墻體寬度一般為開采高度的0.7 倍，根據(jù)采面開采采高情況，計(jì)算得到充填墻體寬度為2.8 m。

根據(jù)模擬結(jié)果、以往研究成果及工程經(jīng)驗(yàn)，最終取巷旁充填體寬度值為3.0 m。

3 留巷段圍巖補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

3.1 錨網(wǎng)索支護(hù)

3.1.1 回風(fēng)巷原有支護(hù)設(shè)計(jì)

頂板用錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿為螺紋鋼錨桿（Φ20 mm×2 400 mm）按照800 mm 間排距布置，每排6根，中部4 根垂直頂板，巷旁2 根錨桿均外插10°布置。每3 排錨桿布置2 根錨索（Φ18.9 mm×6 300 mm），間距 1 600 mm、排距 2 400 mm 布置，均垂直頂板施工。鋪設(shè)的菱形金屬網(wǎng)片規(guī)格為4 700 mm×1 500 mm。

巷幫用螺紋鋼錨桿（Φ16 mm×2 400 mm）按800mm 間排距布置，均垂直巷幫施工，最下部錨桿位于底板上500 mm 位置。

3.1.2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

在回風(fēng)巷內(nèi)采用錨索對頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，即超前5809 采面50 m 位置即開始采用錨索（Φ18.9 mm×8 000 mm）補(bǔ)強(qiáng)，每排布置3 根、間距1 050 mm，在原有的2 排錨索間布置補(bǔ)強(qiáng)錨索。支護(hù)參數(shù)見圖2。

圖2 頂板原支護(hù)及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意圖（單位：mm）

在實(shí)體煤幫采用錨桿（Φ20 mm×2 400 mm）按照800 mm×1600 mm 間排距進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。支護(hù)參數(shù)見圖3。

圖3 實(shí)體煤幫原支護(hù)及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意圖（單位：mm）

3.2 巷幫充填

在5809 采面回采完成后即在支架后方進(jìn)行巷旁充填，充填布置在采面檢修班，每次構(gòu)筑的充填體長度、跨度及高度分別為3.0 m、3.0 m 以及4.0 m。待充填體施工成型后按照間排距800 mm 布置對拉錨桿（Φ22 mm×3 400 mm），對拉錨桿用鋼筋梯子梁（14 mm 圓鋼制作）連接。

為了確保巷旁施工期間頂板巖層穩(wěn)定，降低采空區(qū)覆巖垮落造成的影響，在充填前即采用單體（DW31.5）支護(hù)及π 型鋼構(gòu)成邁步式抬棚對圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，具體支護(hù)范圍為采面前方20 m 以及后方100 m。具體巷旁充填見圖4。

圖4 巷旁充填示意圖

巷旁充填材料選用柔性混凝土，具有強(qiáng)度增加速度、初撐力較強(qiáng)以及抗變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時可有效減少留巷段漏風(fēng)量。柔性混凝土具體材質(zhì)包括有石子（連續(xù)級配碎石5～20 mm）、水泥（42.5 硅酸鹽水泥）、粉煤灰（二級粉煤灰）、砂子（II 區(qū)中砂）以及添加劑（型號KTRHWJ-1）等，按照一定量的配比攪拌均衡后在采面添加水拌和即可。具體配合比見表1。

表1 柔性混凝土配合比

3.3 圍巖控制效果

對5809 采面回采期間回風(fēng)巷圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測。從監(jiān)測結(jié)果得知，由于巷道采用錨索、錨桿對留巷段進(jìn)行超前支護(hù)，在采面回采期間超前工作面35 m以內(nèi)的圍巖基本無明顯的變形、收斂情況；采面回采至測點(diǎn)位置時頂?shù)装濉⑾飵蛧鷰r收斂量分別為105 mm、65 mm，圍巖收斂量整體較小。采面后方0～100 m范圍內(nèi)由于采用單體+π 型梁構(gòu)成邁步式抬棚對頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，頂板下沉在321 mm 以內(nèi)；巷幫268mm 以內(nèi)，主要為實(shí)體煤幫變形。

留巷巷道斷面收縮率整體在20%以內(nèi)，不會給巷道正常使用帶來不利影響，巷道后期使用時經(jīng)過輕微修整即可滿足通風(fēng)、行人以及運(yùn)輸?shù)裙ぷ餍枰?/p>

4 結(jié)論

1）以5809 采面回風(fēng)巷留巷為工程實(shí)例，采用數(shù)值模擬、工程類比法確定巷旁充填體寬度為3.0 m時即可滿足巷道圍巖控制需要又可降低留巷成本；對留巷過程中超前補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、巷旁充填以及單體、π型梁邁步式抬棚等支護(hù)方式進(jìn)行詳細(xì)闡述。在留巷過程中頂?shù)装?、巷幫變形量分別控制在321 mm、268 mm 以內(nèi)，留巷段斷面整體變形收縮率在20%以內(nèi)。

2）在5809 綜采工作面采用沿空留巷技術(shù)后，可實(shí)現(xiàn)20 m 煤柱的回收，經(jīng)初步推算留巷段每增加1 m即可多回收煤炭103 t，直接經(jīng)濟(jì)效益4.3 萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。同時由于5809 采面回采推進(jìn)距離超過1 300 m，回風(fēng)巷均采用沿空留巷技術(shù)后可減少鄰近采面一條巷道掘進(jìn)，可顯著提高煤炭開采效率。