賈家溝煤礦6107工作面沿空留巷技術(shù)應(yīng)用

霍和平,任建偉,趙 磊

（山西呂梁離石賈家溝煤業(yè)有限公司 山西呂梁033000）

0 引言

無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)憑借高煤炭資源回收率和低巷道掘進(jìn)率等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在我國(guó)得以廣泛應(yīng)用[1]。但是，無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)雖能有效緩解礦井采掘接替緊張的難題，也存在諸多技術(shù)難題，例如施工效率低和設(shè)備成本高等[2,3]。對(duì)此，諸多學(xué)者、專家和礦山科技工作者進(jìn)行了大量的研究，取得了許多突破性的研究成果，極大地推動(dòng)了無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。袁存發(fā)基于對(duì)8201無(wú)煤柱工作面所存在技術(shù)難題的分析，提出了頂板切縫卸壓，同時(shí)采用“柔模澆筑+錨索吊棚+桁架錨索”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，有效控制了沿空巷道圍巖變形[4]。宋時(shí)輪通過(guò)對(duì)1218無(wú)煤柱沿空巷道原支護(hù)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。何滿潮針對(duì)無(wú)煤柱工作面沿空留巷存在的技術(shù)難題，提出進(jìn)行切頂卸壓，并采用“恒阻大變形錨索+臨時(shí)支護(hù)”聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)，顯著提高了沿空巷道頂板穩(wěn)定性[6]。本文基于上述研究成果，以賈家溝煤礦6107無(wú)煤柱綜采工作面沿空留巷為背景，對(duì)無(wú)煤柱沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)在該工作面的應(yīng)用進(jìn)行研究，為類(lèi)似工程條件礦井采用無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)提供借鑒和參考。

1 工程概況

賈家溝煤礦6#煤層為主采煤層，煤層厚度3.04 m～4.26 m，平均厚度3.65 m；煤層傾角3°～5°，平均傾角4°；煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，賦存穩(wěn)定，為全區(qū)可采煤層。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.25 m；基本頂為細(xì)砂巖，平均厚度7.36 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.04 m；基本底為細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖互層，平均厚度12.17 m。6107運(yùn)輸順槽位于六采區(qū)，6107運(yùn)輸順槽沿6#煤底板掘進(jìn)，巷道北側(cè)為6107綜采工作面（正在回采），南側(cè)為6109綜采工作面（計(jì)劃開(kāi)采），西側(cè)為采區(qū)邊界煤柱，東側(cè)依次為六采區(qū)回風(fēng)大巷、六采區(qū)軌道大巷和六采區(qū)膠帶大巷，6107綜采工作面平面布置情況如圖1所示。

圖1 6107綜采工作面平面布置圖

為了提高煤炭資源回采率，緩解工作面采掘接替緊張的問(wèn)題，礦方?jīng)Q定在6107綜采工作面回采至距6109綜采工作面切眼后5 m處，開(kāi)始對(duì)6107運(yùn)輸順槽進(jìn)行沿空留巷作業(yè)，6107運(yùn)輸順槽沿空留巷段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為800 m，巷道設(shè)計(jì)斷面為3 900 mm×2 300 mm（寬×高）的矩形斷面。

2 沿空留巷圍巖控制技術(shù)

2.1 無(wú)煤柱沿空留巷存在的技術(shù)難題

6107工作面回采所產(chǎn)生的回采應(yīng)力對(duì)工作面及超前頂板產(chǎn)生影響的同時(shí)沿橫向傳遞，極易造成工作面順槽發(fā)生較大變形而失穩(wěn)破壞[1-3]。傳統(tǒng)綜采工作面頂板隨工作面推進(jìn)而直接垮落，充填采空區(qū)，而無(wú)煤柱綜采工作面沿空留巷需在工作面回采的同時(shí)將順槽保留，以便于在下一個(gè)工作面回采時(shí)復(fù)用，此時(shí)受工作面頂板應(yīng)力傳遞的影響，沿空巷道采空區(qū)側(cè)頂板極易發(fā)生剪切破斷而引發(fā)巷道大面積冒頂事故[4]。此外，架設(shè)工字鋼棚、單體支柱和鋪設(shè)金屬網(wǎng)等傳統(tǒng)擋矸措施極易發(fā)生變形和斷裂現(xiàn)象，且不能有效隔絕采空區(qū)有毒有害氣體侵入沿空巷道[5,6]。因此，如何有效維護(hù)沿空巷道圍巖穩(wěn)定和阻斷采空區(qū)有毒有害氣體的侵入是決定無(wú)煤柱沿空留巷能否成功的關(guān)鍵。

2.2 切頂卸壓

切頂卸壓技術(shù)是指利用聚能爆破技術(shù)將采空區(qū)頂板按照設(shè)定的角度和深度進(jìn)行預(yù)裂爆破而實(shí)現(xiàn)張拉斷裂，進(jìn)而達(dá)到減小沿空巷道采空區(qū)頂板懸臂長(zhǎng)度和降低沿空巷道頂板應(yīng)力集中程度的目的。根據(jù)該礦6103綜采工作面切頂卸壓施工經(jīng)驗(yàn)，超前6107工作面60 m施工預(yù)裂切縫鉆孔，切縫卸壓鉆孔布置情況如圖2所示。切縫鉆孔直徑為50 mm，孔深8 000 mm，鉆孔與巷道頂板呈80°夾角，鉆孔間距為800 mm，采用“3-2-0-1”的裝藥結(jié)構(gòu)，超前工作面10 m進(jìn)行順序起爆對(duì)巷道采空區(qū)側(cè)頂板進(jìn)行預(yù)裂切縫卸壓。

圖2 6107運(yùn)輸順槽預(yù)裂切縫卸壓鉆孔剖面示意圖

2.3 采空區(qū)巷幫擋矸支護(hù)及密閉施工

（1）U型鋼支架

36U型鋼支架安裝如圖2所示。先將φ4.5 mm鋼筋經(jīng)緯網(wǎng)鋪高強(qiáng)纖維布，每隔300 mm用14#雙股鐵絲單排扣連接成擋矸金屬網(wǎng)。擋矸金屬網(wǎng)搭接寬度及與頂板錨網(wǎng)的搭接壓茬寬度為100 mm～200 mm，每隔200 mm用14#雙股鐵絲雙排扣連接成一整體。先掛鋪擋矸金屬網(wǎng)，然后進(jìn)行U型鋼支架支護(hù)。U型鋼支架分2段，由兩副36U卡蘭連接使用，支護(hù)使用時(shí)搭接長(zhǎng)度為500 mm，頂梁為1 000 mm長(zhǎng)11#工字鋼“一梁兩柱”梁式支護(hù)，U型鋼支架“中-中”間距為500 mm。緊跟工作面的架后區(qū)域及時(shí)進(jìn)行巷幫擋矸防護(hù)及頂板支護(hù)支撐，防止矸石垮落時(shí)竄入留巷內(nèi)。支護(hù)工作隨工作面推進(jìn)而前進(jìn)，U型鋼支架端頭距工作面液壓支架架后邊緣距離不大于一個(gè)U型鋼支架間距（500 mm），若移架前和端頭支護(hù)移動(dòng)前沒(méi)有安裝到位，則不能進(jìn)行移架和前移端頭支護(hù)。

沿巷道中心線偏采空區(qū)側(cè)1 650 mm為巷旁支護(hù)的內(nèi)邊線，沿巷旁支護(hù)的內(nèi)邊線布置一排U型鋼支架作為巷旁支護(hù)，U型鋼支架“中-中”間距為500 mm，頂梁為1 000 mm長(zhǎng)11#工字鋼，工字鋼卡在U型鋼上段焊接的槽鋼卡口內(nèi)，采用“一梁兩柱”的頂板支護(hù)方式。

（2）密閉采空區(qū)

密閉采空區(qū)的材料為高強(qiáng)纖維布及高分子材料。高強(qiáng)纖維布具有高抗拉強(qiáng)度、良好的阻燃、抗靜電性能。高分子材料具有粘附力強(qiáng)、固化物本體抗拉強(qiáng)度高、拉伸變形大、耐久性好、頂立面噴涂不流掛、表干和硬化時(shí)間快、絕對(duì)阻燃和抗靜電等優(yōu)點(diǎn)。高分子材料由A（特種水性乳液）、B（各種礦物粉體材料）兩組分組成，使用比例為1:1～2:1。

U型鋼支架架設(shè)一定距離（≤10 m）后，確保金屬網(wǎng)及高強(qiáng)纖維布完全封住采空區(qū)且四周搭接良好后，將高分子材料均勻噴涂至擋矸金屬網(wǎng)及高強(qiáng)纖維布表層，噴層厚度為10 mm～100 mm。

2.4 回采期間超前支護(hù)及滯后加強(qiáng)支護(hù)

（1）超前支護(hù)

6107工作面采煤推進(jìn)前在6107運(yùn)輸順槽超前采煤工作面大于20 m范圍內(nèi)進(jìn)行超前支護(hù)，當(dāng)巷道變形嚴(yán)重時(shí)，必須加長(zhǎng)超前支護(hù)長(zhǎng)度。支護(hù)方式：使用三排3 200 mmπ型梁配合DW-28單體液壓支柱一梁三柱順巷道方向支護(hù)，π型梁梁頭到兩端支柱中心距500 mm，每梁其余單體液壓柱中心距1 100 mm，相鄰梁頭間距100 mm；單體液壓支柱工作面下煤幫支柱與煤壁間距為300 mm；工作面上（采面）煤幫單體液壓支柱與中間排單體液壓支柱的中心距為1 000 mm；工作面上（采面）煤幫單體液壓支柱與煤幫間距為300 mm。工作面內(nèi)排頭支架（端頭支護(hù)）與運(yùn)輸順槽超前支護(hù)π型梁端距離不大于500 mm。

（2）滯后加強(qiáng)支護(hù)

工作面采煤推進(jìn)之后緊跟架后對(duì)頂板進(jìn)行滯后加強(qiáng)支護(hù)與U型鋼支架支護(hù)平行作業(yè)。支護(hù)方式為：?jiǎn)误w液壓支柱配合π(3 200 mm)型鋼梁組成的梁式支護(hù)，一梁三柱，沿巷道走向布置，梁距幫為1 000 mm，柱距為1 100 mm，π型梁梁頭到兩端支柱中心距500 mm，布置3排，滯后加強(qiáng)支護(hù)斷面如圖3所示。滯后加強(qiáng)支護(hù)區(qū)域位于工作面后方大于100 m范圍，滯后支護(hù)的范圍及支設(shè)單體支柱排數(shù)根據(jù)施工期間礦壓觀測(cè)結(jié)果調(diào)整。

圖3 滯后加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)圖

3 工業(yè)性試驗(yàn)

為了對(duì)6107運(yùn)輸順槽采用無(wú)煤柱沿空留巷后巷道表面變形進(jìn)行分析，從6107工作面留巷開(kāi)始，采用“十字布點(diǎn)法”在工作面回采50 m時(shí)布置1個(gè)測(cè)站，依次每隔100 m布置1個(gè)測(cè)站，共布置3個(gè)測(cè)站，依次編號(hào)為1#、2#和3#測(cè)站，對(duì)巷道表面位移情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)記錄，結(jié)果如圖4所示（以2#測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)為例）。

由圖4可知，隨6107工作面推進(jìn)，6107運(yùn)輸順槽留巷段不斷延長(zhǎng)，沿空巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平砍尸F(xiàn)出現(xiàn)快速增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，具體表現(xiàn)為：滯后工作面煤壁0 m～75 m范圍內(nèi)，沿空巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平砍士焖僭鲩L(zhǎng)趨勢(shì)，在滯后工作面煤壁75 m時(shí)，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平糠謩e達(dá)到92 mm和69 mm；滯后工作面煤壁80 m以后，沿空巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平炕沮呌诜€(wěn)定，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為102 mm和80 mm。

圖4 沿空巷道表面位移量

沿空巷道表面變形量在允許范圍內(nèi)，圍巖變形控制效果顯著，6107運(yùn)輸順槽留巷效果見(jiàn)圖5。此外，根據(jù)礦井裝備的KJ70X型瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、甲烷傳感器和CO傳感器等各類(lèi)傳感器對(duì)工作面和回風(fēng)流的24小時(shí)/天持續(xù)監(jiān)控結(jié)果知，沿空巷道采空區(qū)側(cè)密閉效果良好，無(wú)瓦斯超限和有毒有害氣體侵入情況發(fā)生。

圖5 6107運(yùn)輸順槽留巷效果圖

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)賈家溝煤礦6107綜采工作面無(wú)煤柱沿空留巷所存在的技術(shù)難題，對(duì)無(wú)煤柱沿空留巷成套技術(shù)進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)果：

（1）提出6107運(yùn)輸順槽采空區(qū)側(cè)頂板切頂卸壓方案，并對(duì)切縫鉆孔參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；

（2）提出采用U型鋼支架進(jìn)行采空區(qū)側(cè)巷幫擋矸支護(hù)和高強(qiáng)纖維布和高分子材料噴涂對(duì)采空區(qū)側(cè)巷幫實(shí)施密閉，進(jìn)行了工作面回采期間進(jìn)行超前支護(hù)和滯后加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)；

（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：沿空巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為102 mm和80 mm，圍巖變形控制效果顯著。采空區(qū)側(cè)巷幫密閉效果良好，無(wú)瓦斯超限和有毒有害氣體侵入情況發(fā)生。