端氏煤礦沿空留巷實踐應(yīng)用分析

暢維新，樊 帆

(沁和能源集團(tuán)有限公司 技術(shù)部， 山西 晉城 048200)

沿空留巷是在工作面回采后，將本工作面的回采巷道保留下來，供下一工作面使用。沿空留巷取消了區(qū)段煤柱，實現(xiàn)了無煤柱連續(xù)開采，降低了巷道掘進(jìn)率，且實現(xiàn)Y型通風(fēng)后，有效解決了上隅角瓦斯超限問題[1-2]. 我國在20世紀(jì)50年代，已經(jīng)開始發(fā)展沿空留巷技術(shù)，經(jīng)過長期的應(yīng)用和發(fā)展，已經(jīng)形成了成熟的技術(shù)體系。目前，常用的沿空留巷工藝主要為巷幫充填沿空留巷[3]和“110”工法沿空留巷，在實際施工過程中，由于地質(zhì)條件差異和施工水平影響，兩種沿空留巷工藝在每個礦井的適應(yīng)性存在差異[4-5]. 本文以端氏煤礦沿空留巷試驗為工程背景，對比分析柔模混凝土充填沿空留巷和“110”工法沿空留巷工藝推廣效果，為后續(xù)工作面巷道布置提供思路。

1 工程概況

端氏煤礦是沁和能源集團(tuán)有限公司的骨干礦井，井田面積9.403 1 km2，礦井生產(chǎn)能力120萬t/年，屬于煤與瓦斯突出礦井。目前開采3#煤層，煤層平均厚度5.33 m，埋深在250～740 m，為近水平煤層，采用一次采全高采煤方法。3#煤層頂?shù)装迩闆r見表1.

井田呈長條狀，為便于運(yùn)輸和通風(fēng)管理，大巷布置在井田中央位置，工作面布置在大巷兩側(cè)。實際開采時，為解決工作面瓦斯超限及采掘接續(xù)的問題，每個工作面需掘進(jìn)4條順槽，分別為兩條進(jìn)風(fēng)巷和兩條回風(fēng)巷，巷道掘進(jìn)量大，且工作面之間留設(shè)40 m煤柱，無法回收利用，造成資源浪費(fèi)。為解決以上問題，實現(xiàn)礦井高效生產(chǎn)，依次引進(jìn)柔模混凝土充填沿空留巷工藝和“110”工法大采高沿空留巷工藝，極大地減少了巷道掘進(jìn)量，以下分別對比兩種沿空留巷的施工工藝和試驗效果。

表1 3#煤層頂?shù)装迩闆r表

2 沿空留巷工藝應(yīng)用

2.1 柔模充填沿空留巷

柔模充填沿空留巷技術(shù)主要是緊跟工作面回采，在采空區(qū)與巷道之間澆筑一道密閉混凝土連續(xù)墻，彌補(bǔ)回采造成的巷道一幫的缺失，與原有巷道內(nèi)的支護(hù)形成一個整體，共同承擔(dān)回采動壓，維護(hù)巷道穩(wěn)定。留巷不僅可以作為下一工作面的順槽，而且能夠滿足本工作面回采過程中的防水、防火、瓦斯治理等特殊要求[6-7]. 在3111工作面首先采用柔模充填沿空留巷工藝。柔?；炷脸涮钛乜樟粝锕に噲D見圖1.

圖1 柔模混凝土充填沿空留巷工藝圖

主要分為以下工序：

1) 巷道加強(qiáng)支護(hù)。

在工作面前方30 m范圍內(nèi)進(jìn)行超前支護(hù)，采用4排單體柱配鉸接頂梁進(jìn)行支護(hù)，鉸接梁長1 000 mm，采用一梁一柱支撐，單體柱在鉸接梁中部；4排支護(hù)排距1 400 mm.

切頂錨索沿3111膠帶順槽頂板直線布置一排，其錨索連線平行于巷道中心線，距工作面煤壁500 mm，錨索排距900 mm，采用d21.8 mm×8 300 mm型錨索。

2) 頂板深部預(yù)裂爆破。

采用炸藥爆破，使頂板按照設(shè)計角度形成人工弱面，回采時留巷區(qū)域頂板沿弱面方向垮落，減弱留巷區(qū)域頂板與基本頂?shù)膽?yīng)力聯(lián)系，從而使巷道留巷段礦壓顯現(xiàn)較小，易于維護(hù)。炮孔沿輔助巷頂板上設(shè)計的頂板預(yù)裂線單排布置，鉆孔間距調(diào)整為1.5 m，鉆孔d75 mm，深度45 m，鉆孔連線平行于巷道中心線，距巷道中心線1 750 mm，傾角80°，偏向3111工作面方向。開孔口位置躲開錨索、錨桿托盤，將輔助巷頂板深處巖層沿頂板預(yù)裂線弱化成一道縫隙，工作面推過后，采空區(qū)頂板在礦山壓力作用下沿頂板預(yù)裂線斷裂、冒落。

3) 柔模充填混凝土墻施工。

準(zhǔn)備砌筑巷旁支護(hù)墻時，割煤后，在端頭架1#、2#液壓支架后方安裝護(hù)巷支架，同時在支架后方補(bǔ)加圓木支撐頂板，并補(bǔ)設(shè)單體柱，兩側(cè)單體柱之間為巷旁支護(hù)墻留設(shè)空間。巷旁支護(hù)墻厚度1.5 m，高度為3.5 m，混凝土強(qiáng)度等級為C30.

利用留設(shè)空間進(jìn)行柔模充填混凝土墻施工，巷旁支護(hù)墻施工工藝流程見圖2.

圖2 柔模充填混凝土墻施工工藝圖

4) 瓦斯治理。

為解決沿空留巷區(qū)域瓦斯積聚問題，在沿空留巷區(qū)域布置瓦斯抽放管，分別為采空區(qū)上部鉆孔抽放管和巷旁支護(hù)墻瓦斯抽放管。沿3111膠帶順槽頂板施工一排鉆孔作為采空區(qū)上部瓦斯抽放管，鉆孔d94 mm，與巷道中心線距離800 mm，孔深5 m，鉆孔角度60°，鉆孔間距15 m；充填模袋上留設(shè)瓦斯抽放孔，瓦斯抽放孔d300 mm，距頂板1.5 m，掛設(shè)模袋后，安裝瓦斯抽放管，抽放管長度1 800 mm，由兩部分組成，鋼管長度1.2 m，膠管長度0.6 m，瓦斯抽放管間距15 m.

2.2 “110”工法大采高沿空留巷

3114工作面作為3111回采工作面接續(xù)面，巷道回采時，采用“110”工法大采高沿空留巷工藝，工序主要分為：恒阻錨索加強(qiáng)支護(hù)、頂板預(yù)裂爆破、巷道臨時支護(hù)、擋矸墻構(gòu)建。

1) 恒阻錨索加強(qiáng)支護(hù)。

靠近切縫側(cè)恒阻大變形錨索與水平方向垂直布設(shè)，巷道頂板側(cè)恒阻錨索垂直于巷道頂板布設(shè)，設(shè)計恒阻錨索15.3 m. 錨索施工斷面圖見圖3，第一列恒阻錨索沿巷道走向采用20#槽鋼連接，第二、三、四列恒阻錨索采用20#槽鋼垂直巷道連接。

圖3 加強(qiáng)支護(hù)施工斷面圖

2) 頂板預(yù)裂爆破。

采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，切縫鉆孔距煤幫100 mm，切縫孔間距設(shè)計為500 mm，深度設(shè)計為12 m，與垂直方向夾角為12°. 由于頂板巖層強(qiáng)度較高，除施工切縫孔以外，還需施工弱化爆破孔，預(yù)裂切縫孔深度設(shè)計分別為20 m和25 m；與垂直方向分別為20°和30°.

3) 巷道臨時支護(hù)。

工作面回采后，在架后0～300 m，頂板需要臨時加強(qiáng)支護(hù)。架后臨時支護(hù)主要采用單體液壓支柱配合槽鋼滯后支護(hù)，單體上部頂在槽鋼處。為了控制留巷底鼓、單體支柱鉆底及擋矸U型鋼側(cè)傾，可以將單體支柱下支設(shè)工字鋼底梁，巷道副幫側(cè)兩列單體支柱共用一對1.5 m長的“T”型工字鋼底梁，巷道切縫側(cè)的3列單體支柱共用一對2.1 m長的“T”型工字鋼底梁，架后臨時支護(hù)區(qū)共布置5列單體。

4) 擋矸墻構(gòu)建及瓦斯防治。

為了防止采空區(qū)的矸石躥入巷道，同時需要擋矸支護(hù)。采用金屬網(wǎng)+鋼筋網(wǎng)+可伸縮U型鋼進(jìn)行聯(lián)合擋矸支護(hù)，可伸縮U型鋼排距500 mm，風(fēng)筒布布設(shè)在矸石與金屬網(wǎng)之間起到防止漏風(fēng)作用。為了防止采空區(qū)瓦斯溢出，導(dǎo)致留巷區(qū)域瓦斯超限，擋矸墻上端菱形金屬網(wǎng)、風(fēng)筒布、鋼筋網(wǎng)均超出巷高30 mm，與頂板鋼筋網(wǎng)搭接，風(fēng)筒布之間搭接長度應(yīng)≥200 mm，從而保證風(fēng)筒布封堵的密實性，對整個擋矸墻進(jìn)行噴漿處理，噴漿材料為柔性高分子材料。針對U型鋼兩側(cè)等關(guān)鍵位置加強(qiáng)噴漿處理，保證U型鋼兩側(cè)封堵密實性。

3 現(xiàn)場留巷效果對比及分析

3.1 巷道礦壓顯現(xiàn)對比

留巷段的礦壓顯現(xiàn)情況是比較沿空留巷效果的一個重要依據(jù)，現(xiàn)場對兩種留巷工藝下的巷道變形情況進(jìn)行調(diào)研，見圖4.

圖4 兩種留巷工藝礦壓顯現(xiàn)對比圖

采用柔?；炷脸涮顣r，巷道頂板下沉嚴(yán)重，多處區(qū)域鼓包，支護(hù)體失效，單體柱壓彎、漏液，底板嚴(yán)重底鼓，幫部混凝土墻開裂，巷道整體變形嚴(yán)重，復(fù)用難度較高。

而采用“110”工法沿空留巷時，巷道整體變形較小，頂?shù)装?、兩幫與掘巷期間差異不大，運(yùn)輸系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)未明顯受到工作面回采后的滯后礦壓影響。

3.2 應(yīng)用效果差異分析

兩種無煤柱留巷技術(shù)的要點(diǎn)都在于切頂卸壓，通過切頂卸壓技術(shù)降低留巷區(qū)域應(yīng)力集中程度，從而減小留巷段的礦壓顯現(xiàn)程度。兩種無煤柱沿空留巷切頂參數(shù)對比表見表2.

表2 切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)對比表

分別對切頂孔深度、孔距、裝藥量、封孔長度4種參數(shù)進(jìn)行對比：

1) 切頂孔深度。柔模充填沿空留巷采用45 m切頂孔，從理論角度考慮，其卸壓效果和矸石充填效果優(yōu)于“110”工法沿空留巷的14 m切頂孔，但從現(xiàn)場操作性考慮，45 m切頂孔現(xiàn)場操作難度較大，無法達(dá)到設(shè)計要求角度(長距離鉆進(jìn)，鉆頭偏離角度較大)。

2) 孔距。若切頂孔施工均能達(dá)到設(shè)計角度，孔距為0.5 m時，切頂孔爆破后更易導(dǎo)通，形成切頂線，但現(xiàn)場施工時，45 m切頂孔很難達(dá)到設(shè)計角度，孔距為1.5 m時，爆破后切頂孔很難導(dǎo)通。

3) 裝藥量。考慮切頂深度和孔距，柔模充填現(xiàn)場施工很難達(dá)到設(shè)計要求(角度偏差)，則炸藥存在較大的浪費(fèi)。

4) 封孔長度。柔模充填沿空留巷切頂孔封孔長度達(dá)到17 m，則切頂爆破區(qū)域位于切頂孔17 m以上，考慮現(xiàn)場施工鉆孔角度偏差及鉆孔間距較大，在切頂孔17 m以上區(qū)域爆破，難以形成有效切縫，更易對巷道造成工程擾動，造成巷道頂板破壞。

綜上考慮，相比柔模充填沿空留巷切頂卸壓方案，“110”工法沿空留巷現(xiàn)場可操作性更強(qiáng)，更易達(dá)到設(shè)計要求。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比

4.1 經(jīng)濟(jì)對比

3111工作面留巷長度為893 m，費(fèi)用統(tǒng)計：筑模費(fèi)用370萬元、加強(qiáng)支護(hù)費(fèi)用226萬元、輔助材料費(fèi)192萬元，人員工資194萬元，技術(shù)服務(wù)費(fèi)65萬元，共計1 047萬元，投資費(fèi)用為1.17萬元/m.

3114工作面共施工長度1 023 m，不可復(fù)用材料及施工費(fèi)用共1 272萬元，可復(fù)用材料費(fèi)用991萬元，礦壓監(jiān)測費(fèi)用100萬元，技術(shù)服務(wù)費(fèi)220萬元，共計2 583萬元，投資費(fèi)用為2.52萬元/m，后續(xù)工作面推廣使用時，投資費(fèi)用為1.24萬元/m.

從經(jīng)濟(jì)上對比，兩種沿空留巷工藝每米投資費(fèi)用差異不大，考慮到“110”工法沿空留巷在端氏煤礦持續(xù)推廣，施工效率及留巷參數(shù)仍有優(yōu)化空間，每米投資費(fèi)用仍有較大的降低空間。

4.2 技術(shù)對比

柔模充填沿空留巷工序和設(shè)備更復(fù)雜，需設(shè)置擋矸支架、混凝土攪拌泵，構(gòu)筑柔模前需掛網(wǎng)，而“110工法”的核心工序主要為切頂卸壓、恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)、擋矸架架設(shè)、留巷區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)。其中，恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)可在巷道掘進(jìn)后進(jìn)行施工，或直接將原有掘進(jìn)巷道支護(hù)錨索更換為恒阻錨索，與生產(chǎn)沖突較小；擋矸架架設(shè)速度也較快，不受回采速度影響；而柔模充填沿空留巷，構(gòu)建柔模擋矸墻時，需對擋矸墻進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，若養(yǎng)護(hù)時間不足，擋矸墻強(qiáng)度將難以達(dá)到設(shè)計要求，實際生產(chǎn)中，回采速度較快，擋矸墻的養(yǎng)護(hù)很難達(dá)到養(yǎng)護(hù)時間。

4.3 問題及建議

由以上分析可知，切頂卸壓效果及現(xiàn)場施工情況，“110”工法沿空留巷均優(yōu)于柔模充填沿空留巷，對于后續(xù)回采巷道，考慮端氏煤礦現(xiàn)有條件，建議繼續(xù)采用“110”工法沿空留巷。但由于端氏煤礦為煤與瓦斯突出礦井，采用沿空留巷技術(shù)后，留巷段瓦斯治理難度較高，后續(xù)施工中，需要掌握采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行精準(zhǔn)治理，提高瓦斯治理效果。

5 結(jié) 論

通過對比分析端氏煤礦柔?；炷脸涮钛乜樟粝锖汀?10”工法沿空留巷工藝巷道礦壓顯現(xiàn)情況，采用“110”工法沿空留巷工藝留巷效果良好。“110”工法沿空留巷切頂卸壓方案可操作性更強(qiáng)，更易達(dá)到設(shè)計要求。考慮施工工序、留巷效果差異及對工作面回采的影響程度，建議端氏煤礦繼續(xù)采用“110”工法沿空留巷。