復雜應力條件下沿空留巷技術(shù)研究與實踐

文/劉學征 倪慶均

山東能源新汶礦業(yè)集團潘西煤礦-740m水平6310工作面上巷以及前六西部大巷埋深近千米，且已受3、19煤層相關工作面的多次采動影響。礦井正在開采3煤層6310工作面和19煤層6199工作面；6310工作面上巷距離6300采空區(qū)煤柱50米，煤柱中布置前六采區(qū)軌道大巷和皮帶集中巷，下層19煤層6199工作面垂直方向與6310工作面大部分重疊。經(jīng)對上述3個工作面平面與空間位置關系分析可知，采區(qū)應力環(huán)境和圍巖狀況極其復雜。根據(jù)以往對類似巷道加固修復的實踐經(jīng)驗，潘西煤礦采用“錨網(wǎng)帶（梁）索+注漿錨索”實施巷道超前補強預加固方式對巷道的穩(wěn)定性將帶來有利影響；-740m前六西大巷為-740m前六采區(qū)主要物料運輸及行人通道，為保證-740m前六采區(qū)剩余工作面正常開采接續(xù)所需的備用物料運輸，以及后期回收大巷煤柱資源，6310工作面上巷采取沿空留巷技術(shù)具有現(xiàn)實的安全及經(jīng)濟意義。

一、工作面概況

1.工作面位置

6310工作面位于-740m水平前六下部采區(qū)，東部為-740下部皮帶井，西部為未采區(qū)，南部為6300工作面采空區(qū)，北部為-740下部西大巷；走向長度585m，傾斜長度168m，埋深964.3～1077m。6310工作面與19煤層6199工作面垂直間距約220m，6310工作面上巷距離6300采空區(qū)煤柱50m，煤柱中布置前六采區(qū)軌道大巷和皮帶集中巷。

2.工作面地質(zhì)條件

6310工作面開采煤層為3煤層，視密度為1.31t/m3，堅硬，塊狀，斷口平坦，油脂光澤，層理、節(jié)理發(fā)育，以半亮煤和暗煤為主，屬半亮型煤；本區(qū)地層為單斜構(gòu)造，煤層走向118°～123°，煤層傾向28°～33°，煤層傾角27°～34°，平均煤層傾角31°。煤層厚度0.3～2.6m，硬度1.5，煤種為氣煤；基本頂為厚度0～8m淺灰色中砂巖，堅硬穩(wěn)固，不易冒落，f=6。直接頂細砂巖厚度1.5～5m，深灰色，致密、堅硬，含石英，f=5～6；直接底為2.7～4.6m的深灰色粉砂巖，堅硬，性脆、易碎，層理明顯，節(jié)理發(fā)育，f=3～4。工作面瓦斯涌出量具有不均勻性，根據(jù)3煤層同類工作面瓦斯資料，預計工作面絕對瓦斯涌出量為0.73m3/min，絕對二氧化碳涌出量為1.44m3/min；3煤層屬II類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為85天，煤層爆炸性指數(shù)為29.49%，火焰長度大于400mm，具有煤塵爆炸性。

3.工作面生產(chǎn)條件

（1）采煤工藝。6310工作面采用走向長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板，采用綜合機械化采煤。MG300/700-WDK型采煤機落煤、裝煤，SGZ730/400型刮板輸送機（溜子）運煤，ZY3200/14/32型、ZY3200/15/36型與ZY5200/18/38D型掩護式支架支護頂板。平均采高2.0m，循環(huán)進度為0.6m。

（2）工作面上巷巷道斷面以及支護參數(shù)。6310工作面上巷沿3煤層布置，斷面形狀為圓弧拱形斷面，頂板采用全錨索作為永久支護，選用長4.2m、Ф17.8mm、1×19結(jié)構(gòu)鋼絞線配鎖具、錨索托盤、W鋼帶壓金屬菱形網(wǎng)、雙向拉伸塑料網(wǎng)進行支護，錨索間排距為800×800mm。巷道上幫采用錨網(wǎng)帶支護，選用MSGLD-400／20×2400(X)等強螺紋鋼式樹脂錨桿，配高強錨盤、W護板壓3眼W鋼帶壓金屬菱形網(wǎng)、雙向拉伸塑料網(wǎng)進行支護，錨桿間排距為800×800mm。下幫采用MSGLD-335／20×2400等強螺紋鋼式樹脂錨桿，配鋼板錨盤、W護板壓金屬菱形網(wǎng)進行支護，錨桿間排距為900×900mm。每根錨索采用3支MSK28/50型樹脂錨固劑錨固，每根錨桿采用2支MSK28/50型樹脂錨固劑錨固。

二、沿空留巷設計及措施

1.前六西大巷受力分析及超前強加固技術(shù)

（1）前六西大巷受力破壞分析及應對措施。前六西大巷在高應力及頂板傾斜下沉產(chǎn)生的附加水平應力作用下，頂板之間的層理面易發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生錯動，并引起附近煤體圍巖破壞，導致頂板在兩肩窩部位產(chǎn)生范圍較大的塑性區(qū)。在肩窩部位斜向上打錨索，與頂板錨索共同作用，對該區(qū)域進行加強支護，將頂板錨固到深部穩(wěn)定巖層中。同時，巷道容易在兩幫底角部位產(chǎn)生剪切滑移變形，處于自由狀態(tài)的底板將會出現(xiàn)失控變形，進而影響到幫部和頂板的穩(wěn)定性。因此，應對兩幫底角部位進行加強支護，防止由于底部巖層產(chǎn)生剪切滑移造成嚴重底鼓現(xiàn)象。

（2）前六西大巷加固方案。

①-740前六西大巷加固范圍：6310切眼通道以西20m至前六石門共530m。

②-740前六采區(qū)西大巷擴修后巷道為半圓拱巷道，采用錨網(wǎng)索支護，頂板選用φ=21.8，L=4300mm，高強度、低松弛1×19結(jié)構(gòu)鋼絞線錨索配高強錨盤（250×250×14mm）壓W鋼帶、菱形網(wǎng)（采用8#鐵絲制作）阻燃雙抗網(wǎng)進行支護，錨索間排距為800×800mm；兩幫采用錨網(wǎng)索支護，選用φ=21.8，L=4300mm，高強度、低松弛1×19結(jié)構(gòu)鋼絞線錨索配高強錨盤（250×250×14mm）壓W鋼帶、菱形網(wǎng)（采用8#鐵絲制作）阻燃雙抗網(wǎng)進行支護，錨索間排距為800×800mm。

③加固完成后噴漿蓋網(wǎng)。

2.6310工作面上巷沿空留巷成套技術(shù)

在6310工作面上平巷采用沿空留巷工藝，既實現(xiàn)了6310工作面由不可采到可采的轉(zhuǎn)變，緩解了礦井接續(xù)緊張局面，又最大限度地降低了對前六西大巷的影響，保證了其安全使用。科學設計沿空留巷方案，突出“全負壓”“支得住”“切得開”“封得嚴”“在線測”“裝備先進、精準”等特點，細化工作流程，確保沿空留巷取得實效。

（1）“全負壓”。6310上巷沿空留巷采用全負壓通風方式，可隨時檢查處理沿空留巷段出現(xiàn)的支護、漏風等問題，達到留巷即能用的目的。6310工作面通風示意圖如圖1所示。

圖1 6310工作面通風示意圖

（2）支得住。

①6310上巷頂板超前采煤工作面150m采用三排錨索桁架梁進行加固。錨索采用φ=21.8×8300mm的高強度、低松弛1×19結(jié)構(gòu)鋼絞線錨索，兩架錨索桁架梁首尾連接，錨索梁采用25#U型鋼制作，梁長1.9m，錨索間距1.5m。

②6310上巷上幫超前采煤工作面150m采用二排錨索加強支護。錨索采用φ=21.8×4300mm的高強度、低松弛1×19結(jié)構(gòu)鋼絞線錨索，錨索梁采用25#U型鋼制作，梁長1.2m，錨索間排距為900×1800m。

③留巷段沿巷道走向支設兩排單體液壓支柱加強支護，在下幫錨索桁架梁下方支設單體液壓戧柱加強支護，間距為1.5m，支護效果良好。

（3）切得開。

①超前工作面30m采用DCA-45型切縫鉆機施工切頂孔，切頂孔深度為8m，孔距0.6m，傾向距鉛垂線向工作面偏移夾角20°，走向沿鉛垂線向采空區(qū)偏移夾角15°，切頂孔拉線打設，形成切縫線。從6310工作面上巷實際切縫效果看，切縫線沿切縫孔走向延伸，工作面開采后，采空區(qū)頂板沿切縫線冒落，冒落及時，最大限度地避免了懸頂，切縫效果良好。

②超前工作面20m預裂爆破，一次爆破5個孔，每個孔使用兩根長度為2.0m的聚能管，采用煤礦許用三級水膠炸藥。

（4）封得嚴。留巷側(cè)依次采用金屬菱形網(wǎng)、涂塑布、鋼筋網(wǎng)護幫，使用兩根長度為2.2～3.6m的25#U型鋼組合成擋矸架，每組擋矸架采用三個U型卡子固定，擋矸架間距為0.8～1.0m，擋矸架支設下扎5°，擋矸架之間采用連接板固定，間距0.5m，將擋矸架固定為一個整體，頂板壓力大時可適當讓壓保證擋矸架的穩(wěn)定性；留巷側(cè)噴涂無機防滅火材料堵漏防火，能較好地防滅火降溫和密封巷道，有效防止風流進入采空區(qū)，防止采空區(qū)遺煤自燃。

（5）在線測。

①6310工作面上巷沿空留巷段采用頂板離層在線監(jiān)測，對沿空留巷段頂板離層情況實施不間斷監(jiān)測。

②巷道變形量觀測。安裝5組激光測距儀，每組兩個測點分別測量兩幫移近量和頂板下沉量，監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至地面防沖監(jiān)控室。

③在6310工作面上巷留巷側(cè)支設擋矸架時臥底到硬巖，深度為1.5m，寬度為1.0m，實現(xiàn)了槽溝卸壓，兩幫移近量為211mm，底板底鼓量為119mm，有效控制了巷道變形。

（6）裝備先進、施工精準。頂板切頂孔施工采用DCA-45型自動成巷超前切縫鉆機和CMM2-8型煤礦用液壓錨桿鉆車，這兩種鉆機體積小、采用履帶行走，具有良好的通過性。鉆機配備鉆桿夾持機構(gòu)、鉆機支頂裝置，能夠方便鉆桿的裝卸及鉆桿的導向，降低工人的勞動強度且成孔質(zhì)量較好，易于裝入爆破聚能管；2部鉆機可獨立旋轉(zhuǎn)，能夠滿足鉆孔軸線與鉛垂線夾角的要求，側(cè)向移動機構(gòu)對鉆機的驅(qū)使，滿足所有鉆孔在一條直線，使頂板沿預裂切縫線切落后成巷質(zhì)量較好，實現(xiàn)了留巷裝備升級，精度、效率雙提升。

3.建立支、切、封工作流程體系

工作流程為：采用錨索桁架超前加固150m→采用DCA-45型切縫鉆機施工切頂孔超前30m→預裂切頂孔超前20m→采煤面推采→掛金屬菱形網(wǎng)→掛涂塑布→掛鋼筋網(wǎng)并扭緊→支設擋矸架，安設連接板→打設單體戧柱→留巷段維護。

4.綜合施策，災害防控到位

（1）組合擋矸工藝，有效控制噴矸。沿空留巷巷幫采用金屬菱形網(wǎng)及涂塑布、鋼筋網(wǎng)進行封幫，采用長度2.2m的25#U型鋼組合式擋矸架進行擋矸，有效控制了噴矸，保證了留巷效果。

（2）6310工作面上巷沿空留巷段采用全負壓通風，在沿空留巷段下幫金屬菱形網(wǎng)與鋼筋網(wǎng)之間鋪設一層規(guī)格為4×2.8m的涂塑布，留巷距離達到100m時，噴射防火封堵材料，有效防止有毒有害氣體泄漏和煤層自燃。

（3）采用KJ70X進行安全監(jiān)控。利用一氧化碳傳感器、瓦斯傳感器24小時監(jiān)測沿空留巷段的一氧化碳和瓦斯氣體。

（4）6310工作面上巷沿空留巷段保留風水管路，可采取注水、注漿等措施。

三、實施效果

（1）保證礦井生產(chǎn)接續(xù)正常。每年實施“110”工法沿空留巷800m，減少掘進巷道800m，降低了萬噸掘進率，根據(jù)測算，沿空留巷成本約3000元/m，巷道掘進成本約5000元/m，減少掘進投入160萬元。

（2）減少煤柱煤炭資源損失，提高回收率。通過實施“110工法”沿空留巷，實現(xiàn)了無煤柱開采，全年多回收煤炭資源2.1萬噸。

（3）為復雜應力條件下回收煤柱提供了實踐經(jīng)驗。

（4）實現(xiàn)了大傾角深部弧形巷道斷面、復雜應力、多災害的成功留巷，為同類礦井沿空留巷提供了寶貴經(jīng)驗。