新元礦中厚煤層無巷旁充填沿空留巷技術(shù)應(yīng)用

白文斌

（潞安化工集團(tuán)山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

長壁式開采，相鄰工作面間需留設(shè)區(qū)段保護(hù)煤柱，造成煤炭資源的浪費(fèi)巨大[1-2]。采用沿空留巷的無煤柱開采方式可以提高煤炭資源回收率[3-4]。當(dāng)前常用的沿空留巷方式為充填式沿空留巷，一般采用膏體材料、似膏體材料、高水材料、超高水材料等材料進(jìn)行巷旁充填，以充填體置換煤柱達(dá)到沿空留巷的目的[5-8]。但是充填式沿空留巷工藝流程復(fù)雜，成本投入較大，因此提出采用對(duì)采空區(qū)側(cè)頂板巖層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，維持巷道頂板穩(wěn)定，同時(shí)采用工字鋼對(duì)采空區(qū)垮落矸石做擋矸處理，以采空區(qū)垮落的矸石替代充填體，從而實(shí)現(xiàn)無充填式沿空留巷的目的。

1 工程概況

新元礦主采的3#煤層厚度2～3.1 m，平均為2.75 m，屬中厚煤層。煤層傾角為2°～9°，平均3°，3#煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。煤層中一般含1～2層泥質(zhì)夾矸，厚度一般為0.02～0.05 m，平均0.05 m。煤層上覆巖層分別為均厚0.32 m的高嶺石泥巖，均厚3.10 m的灰黑色砂質(zhì)泥巖和均厚2.40 m的中粒砂巖。底板巖層分別為均厚2.98 m的深灰黑色泥巖和均厚3.50 m的淺灰色細(xì)粒砂巖，如表1所示。

表1 3#煤層頂?shù)装鍘r性

2 無巷旁充填沿空留巷支護(hù)方案

依據(jù)新元礦3#煤層賦存條件及其他工作面回采巷道的現(xiàn)場(chǎng)工程經(jīng)驗(yàn)，回采巷道為矩形，斷面尺寸設(shè)計(jì)為寬×高=4 500 mm×3 000 mm，支護(hù)方案如下。

2.1 回采巷道原有支護(hù)方案

（1）頂板支護(hù)方案

頂板錨桿選用φ20 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，為提升頂錨桿的整體支護(hù)效果，配合長×寬=4 200 mm×173 mm的鋼帶。在巷道頂板中央位置布置一列φ17.8 mm×4 250 mm的錨索，錨索排距為4 000 mm，同時(shí)鋪設(shè)φ4 mm，網(wǎng)孔100 mm的金屬網(wǎng)。

（2）巷幫支護(hù)方案

巷幫采用φ20 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，為提升幫錨桿的整體支護(hù)效果，配合長×寬=2 200 mm×173 mm的鋼帶。同時(shí)鋪設(shè)φ4 mm，網(wǎng)孔100 mm的金屬網(wǎng)。

回采巷道原有支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 3#煤層巷道原有支護(hù)

2.2 回采巷道回采前加固方案

在頂板原有錨索中間位置補(bǔ)打φ17.8 mm×4 250 mm的錨索，同時(shí)在距離巷道回采側(cè)巷幫300 mm位置，補(bǔ)打一列φ17.8 mm×4 250 mm的錨索，排距為2 000 mm，并用鋼帶連接兩列錨索，以提升錨索的整體支護(hù)效果。在巷道非回采側(cè)巷幫中間位置補(bǔ)打一列φ17.8 mm×4 250 mm的錨索，排距為2 000 mm。巷道加固后支護(hù)方案如圖2所示。

圖2 巷道加固后支護(hù)方案

2.3 工作面回采期間留巷段輔助支護(hù)

無巷旁充填沿空留巷的核心思路是利用采空區(qū)頂板巖層跨落后的矸石，在工字鋼擋矸支護(hù)下形成新的巷幫，從而在無巷旁充填的條件下實(shí)現(xiàn)沿空留巷。因此，工作面回采期間，在工作面后方除了需要用單體支柱進(jìn)行密集支護(hù)防止留巷段頂板失穩(wěn)以外，還需在采空區(qū)側(cè)布置工字鋼，用作擋矸支護(hù)，并在相鄰工字鋼之間鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，以防采空區(qū)垮落矸石沖入巷道中。

隨著工作面的推進(jìn)，在采空區(qū)側(cè)布置工字鋼及金屬網(wǎng)，間距500 mm，同時(shí)緊跟工作面設(shè)置三排單體支柱（排距為500 mm），用于防止留巷段頂板失穩(wěn)垮落。由于非回采側(cè)巷道頂板有實(shí)體煤支撐，因此布置單體支柱時(shí)，應(yīng)偏向采空區(qū)布置，其中第一列單體支柱距離采空區(qū)側(cè)500 mm，第二列單體支柱距離第一列單體支柱600 mm，第三列單體支柱距離巷道中線1 000 mm。第一列單體頂端通過十字鉸接梁與工字鋼頂端連接，同時(shí)鋪設(shè)1 000 mm×4 000 mm的金屬網(wǎng)。為防止采空區(qū)漏風(fēng)，在金屬網(wǎng)上懸掛風(fēng)筒布，并在其表面噴射5 cm厚的防火阻燃材料，為防止頂板下沉壓壞噴涂層而影響采空區(qū)密封效果，噴涂材料應(yīng)選擇柔性材料。具體方案如圖3所示。

圖3 留巷段輔助支護(hù)效果

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

以新元礦3109工作面為試驗(yàn)工作面，計(jì)劃3109工作面回采后，3109回風(fēng)巷沿空保留，作為3107皮帶巷使用。為研究無充填沿空留巷效果，工作面回采期間，對(duì)3109回風(fēng)巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，滯后工作面每隔50 m布置一個(gè)綜合測(cè)站，用于監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移近量、單體支柱工作阻力及錨桿（索）工作阻力，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線如圖4所示。

分析圖4結(jié)果可知，各個(gè)監(jiān)測(cè)曲線的變化趨勢(shì)基本相近，隨著工作面的推進(jìn)，均呈現(xiàn)先急劇增大，然后增長趨勢(shì)放緩，最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線

工作面回采過程中，在滯后工作面80 m范圍內(nèi)，受采空區(qū)頂板巖層垮落的擾動(dòng)影響，巷道圍巖變形量、錨桿（索）工作阻力及留巷段單體工作阻力均呈現(xiàn)急劇增大的趨勢(shì)；在滯后工作面80～150 m范圍內(nèi)，隨著采空區(qū)逐漸被垮落矸石充滿，上覆巖層受到采空區(qū)垮落矸石的支撐作用，對(duì)巷道圍巖的擾動(dòng)作用隨之減小，因此巷道圍巖變形量、錨桿（索）工作阻力及留巷段單體工作阻力增長幅度變小；在滯后工作面150 m以后，采空區(qū)頂板巖層基本穩(wěn)定，巷道圍巖也逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，因此巷道圍巖變形量、錨桿（索）工作阻力及留巷段單體工作阻力也基本趨于穩(wěn)定。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，巷道頂板下沉量最大值為216 mm，底鼓量最大值為102 mm，采幫側(cè)變形量最大值為88 mm，非采幫側(cè)變形量最大值為113 mm，錨桿工作阻力最大值為108 kN，錨索工作阻力最大值為125 kN，留巷段單體支柱工作阻力最大值為218 kN。

整體來看，留巷段錨桿（索）工作阻力穩(wěn)定，沒有失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)；單體支柱在滯后工作面150 m以后工作阻力基本穩(wěn)定，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，逐漸撤除單體支柱并將其前移，達(dá)到循環(huán)使用的目的；巷道圍巖變形量不大，完全可以滿足巷道二次復(fù)用安全生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

針對(duì)新元煤礦中厚煤層煤炭回收率較低的問題，提出采用無巷旁充填沿空留巷的方法提高煤炭回收率。

1）以新元煤礦3#煤層賦存條件為基礎(chǔ)，確定沿空留巷方案如下：在頂板補(bǔ)打φ17.8 mm×4 250 mm錨索，在巷道非回采側(cè)補(bǔ)打φ17.8 mm×4 250 mm錨索。當(dāng)工作面回采后，緊跟工作面設(shè)置三根單體支柱，同時(shí)鋪設(shè)1 000 mm×4 000 mm的金屬網(wǎng)，并在其表面噴5 cm厚的防火阻燃柔性材料。

2）在新元煤礦3109軌道巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示留巷段整體支護(hù)效果良好，巷道圍巖變形量不大，可以滿足巷道二次復(fù)用的安全使用要求。