沿空留巷技術(shù)的探討及應(yīng)用

袁紅起，王巖磊

(河南煤化集團(tuán)永煤公司永貴能源雍和煤業(yè)，貴州 納雍 553302)

沿空留巷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)煤柱護(hù)巷，是煤礦開(kāi)采技術(shù)的一項(xiàng)重大改革。不僅達(dá)到了合理開(kāi)發(fā)煤炭資源、提高回采率、減少巷道掘進(jìn)工程量、緩解采掘接替矛盾的目的，而且促進(jìn)了采煤方法的革新［1］。

永貴能源雍和煤業(yè)當(dāng)前開(kāi)采3#煤層，即龍?zhí)督M，煤層厚度1．2 ～2．4 m，平均 1．8 m，煤層傾角 22°～32°，煤層的自燃傾向?yàn)槿惒灰鬃匀济簩樱瑢儆诿号c瓦斯突出礦井，煤塵無(wú)爆炸危險(xiǎn)性，煤層相對(duì)較穩(wěn)定。為了緩解采掘接替緊張局面，降低成本，根據(jù)礦井10302工作面地質(zhì)條件及現(xiàn)有的支護(hù)工藝，在10302采煤工作面運(yùn)輸順槽進(jìn)行了沿空留巷試驗(yàn)，取得了良好的效果。

1 沿空留巷技術(shù)概述

沿空留巷是無(wú)煤柱開(kāi)采時(shí)普遍使用的一種無(wú)煤柱護(hù)巷方式，對(duì)于提高煤炭回收率、改善巷道維護(hù)、降低開(kāi)掘率，以及因保護(hù)煤柱和丟煤引起的井下災(zāi)害有明顯的效果;隨著無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，使采區(qū)巷道的布置等諸多方面產(chǎn)生了相應(yīng)變化［2］。

沿空留巷主要支護(hù)形式分為巷旁支護(hù)和巷內(nèi)支護(hù)。巷內(nèi)支護(hù)形式包括：剛性金屬支架、U型鋼可縮性金屬支架、錨桿支護(hù)、錨網(wǎng)索支護(hù)、聯(lián)合支護(hù)。巷旁支護(hù)主要形式：木垛、密集支柱、矸石帶、砌塊、巷旁充填帶［1］。

不同的條件下可考慮不同的設(shè)計(jì)方案，最終的目的是既經(jīng)濟(jì)又能保證安全。

2 沿空留巷頂板巖層運(yùn)動(dòng)特征

研究表明，沿空留巷的頂板運(yùn)動(dòng)可劃分為前期活動(dòng)、過(guò)渡期活動(dòng)和后期活動(dòng)三個(gè)階段［3，4］。

隨著工作面的推進(jìn)，后方直接頂失去支撐，在重力作用下出現(xiàn)沿充填體邊緣的折斷，折斷的部分呈懸臂梁狀態(tài)，由于直接頂垮落和老頂下沉，頂板主要變形形式是旋轉(zhuǎn)，這一時(shí)期稱作前期活動(dòng)。

伴隨著采空區(qū)直接頂垮落并充實(shí)，老頂折斷垮落，最終老頂形成砌體結(jié)構(gòu);如垮落的直接頂不能填滿采空區(qū)，老頂就會(huì)垮落以充填采空區(qū)，當(dāng)充滿采空區(qū)時(shí)，老頂便形成砌體結(jié)構(gòu);“硬集多載”效應(yīng)使得煤體的剛度大于采空區(qū)冒落矸石的剛度，老頂?shù)闹亓客ㄟ^(guò)直接頂轉(zhuǎn)移到巷旁煤體，煤體深部成為應(yīng)力集中區(qū)域，老頂在下部冒落碎矸的支撐下逐漸穩(wěn)定，從而使沿空巷道一定范圍內(nèi)的應(yīng)力低于原巖應(yīng)力，這一階段稱作過(guò)渡活動(dòng)期。

由于矸石逐漸壓實(shí)，形成穩(wěn)定“大結(jié)構(gòu)”的上位巖層也將折斷、變形下沉，使煤壁乃至直接頂產(chǎn)生損傷，支承壓力范圍加大，峰值進(jìn)一步內(nèi)移，留巷上方頂板產(chǎn)生平行下沉，由于受老頂分層垮落的影響，巷道頂板下沉呈波動(dòng)式;頂板運(yùn)動(dòng)以平行下沉為主，但下沉速度較小，此時(shí)的頂板活動(dòng)稱作后期活動(dòng)期。

3 10302工作面地質(zhì)狀況

10302工作面是一采區(qū)三煤層第二個(gè)工作面，上部位于3#煤層露頭線附近，切眼位于靠近西部邊界，該工作面下覆有已設(shè)計(jì)的10402工作面。工作面范圍由機(jī)巷、風(fēng)巷、切眼圈定，走向長(zhǎng)440 m，可采面積44 000 m2。工作面設(shè)計(jì)回采+1 797～+1 740 m，平均+1 770m;地面平均高程+1 950m，埋藏深度平均為180 m。地質(zhì)條件為簡(jiǎn)單型，煤層厚度1．2～2．4 m，平均1．8 m;煤層傾角 25°～35°，平均 30°，為傾斜煤層、突出煤層;工作面正常涌水量為3 m3/h，涌水量相對(duì)較小;煤層頂?shù)装鍫顩r為：直接和間接頂板巖性主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖及少量石灰?guī)r，抗壓強(qiáng)度為89．52 MPa，抗拉強(qiáng)度為6．13 MPa。直接和間接底板巖性主要為細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，飽和抗壓強(qiáng)度60．98 MPa。

4 沿空留巷聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

考慮到沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，結(jié)合礦井實(shí)際，10302下順槽沿空留巷采取頂板補(bǔ)打錨索、巷旁工字鋼密集支柱、木垛聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。沿空留巷斷面圖見(jiàn)圖1。

圖1 沿空留巷斷面圖

4．1 原架棚巷道支護(hù)

原巷道架棚支護(hù)采用礦用11#工字鋼支護(hù)，凈高×凈寬為2 000 mm×2 200 mm。巷道為梯形斷面，工字鋼規(guī)格梁×腿為2．4 m×2．2 m，棚距700 mm。

4．2 架棚段巷道沿空巷道錨索超前支護(hù)

礦井3#煤層頂板較完整，沿空留巷時(shí)，為了有效控制頂板，除恢復(fù)架棚支護(hù)外，補(bǔ)打錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，錨索間距2．8 m，錨索拉力不小于200 kN，另外每隔6 m打一處木垛。

4．3 施工工藝及順序

沿空巷道施工基本可分為5個(gè)步驟，順序?yàn)槌板^索支護(hù)、打設(shè)木垛、恢復(fù)工字鋼棚支護(hù)并垛實(shí)、采空區(qū)背幫垛袋補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

4．3．1 錨索施工工藝

超前回采工作面30 m施工，此工序?yàn)檠乜障锏乐ёo(hù)的第一道工序。錨索應(yīng)用d15．24 mm高強(qiáng)度低松弛鋼鉸線，長(zhǎng)6 400 mm，配合鎖頭、托盤制作;其中錨索有效長(zhǎng)度為6 000 mm，外露部分400 mm;每孔用5根樹(shù)脂錨固劑固定，錨固力不低于200 kN/根;托盤用10mm的鋼板壓制成300mm×300mm碟形，也可用長(zhǎng)500 mm的11#工字鋼制作。并在中間鉆直徑為18 mm的圓孔。錨固劑型號(hào)為 MSK2335、MSZ2335，每眼孔眼底裝入1根 MSK2335，外側(cè)用4根MSZ2335。

4．3．2 打設(shè)木垛

打木垛是沿空留巷的第二道工序，木料規(guī)格：1．8 m×0．2 m×0．2 m型方木，架設(shè)要求：1)架設(shè)木垛上下兩面要平整。2)刷頭要齊整，搭接外露長(zhǎng)度不小于100 mm。若木料長(zhǎng)短不一時(shí)，靠煤壁一側(cè)的刷頭必須整齊。3)架設(shè)木垛架地點(diǎn)底板要整齊，最低一層木料要鋪在硬底上，且垂直煤壁，垛體迎山有勁，壓茬上下對(duì)正，四拐成直角，四拐打抱柱。4)木垛用木楔打緊，木垛頂?shù)装逡c梁子接平、接緊，不準(zhǔn)重楔或?qū)⒛拘ù蛟谀径庾钌喜俊?/p>

4．3．3 煤垛與工作面端頭施工工藝

工作面端頭采用單體液壓支柱DZ22－22/100配合金屬鉸接頂梁HDJB－1200，“四·六”排管理控制頂板，棚間距600 mm，配合每棚中間用四對(duì)八根長(zhǎng)3．6 mπ型梁交錯(cuò)邁步式支護(hù)。工作面端頭長(zhǎng)5 m，超前一排施工。為了便于煤垛施工，單體鉸接頂梁滯后一排。端頭超前施工時(shí)，在頂梁上沿工作面方向每間隔600 mm放置1塊2 400 mm×200 mm×60 mm的兩面平木梁。木梁的刷頭為150 mm，下端頭距下順槽巷中1 500 mm并保持一致。

煤垛施工要求：栽上工字鋼腿，保證巷道凈高2 m，扎腳77°，背上鋼網(wǎng)。煤垛施工為沿空巷道支護(hù)的第三道工序，其寬不小于1．5 m，用編織袋裝入煤矸石砌筑而成，煤垛外側(cè)距下順槽1．7 m(架棚段1．6 m)，砌筑時(shí)，編織袋每層3只，分層橫豎碼放，袋口扎緊方向朝里。砌筑煤垛必須始終在第5排進(jìn)行。當(dāng)采煤工作面端頭支護(hù)達(dá)到6排時(shí)，在準(zhǔn)備砌筑煤垛的地點(diǎn)，立即在木梁的兩端頭打牢2根單體，隨即回掉該地點(diǎn)的一排柱子及鉸接頂梁，在兩棚木梁及第6排的支護(hù)下進(jìn)行砌筑。當(dāng)砌筑接近頂板時(shí)，拆除木梁，立即用半圓木或背板接實(shí)頂板。端頭支護(hù)第6排的其它支柱即可回撤。每處煤垛砌好后，檢查各縫隙，如有漏風(fēng)現(xiàn)象，用黃泥封堵。

煤垛砌筑好后，在煤垛的外側(cè)，按照設(shè)計(jì)要求打牢工字鋼點(diǎn)柱。如此反復(fù)往前進(jìn)行完成煤垛及點(diǎn)柱的施工。10302下順槽沿空留巷下端頭處施工平面圖見(jiàn)圖2。

圖2 10302下順槽沿空留巷下端頭處施工平面圖

5 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

根據(jù)沿空留巷支護(hù)方案，主要材料平均費(fèi)用為：工字鋼1 000元/m、錨索100元/m、鋼網(wǎng)80元/m、編織袋5元/m、木垛(方木)180元/m、工資1 000元/m，后期修巷500元/m，合計(jì)2 865元/m。而掘進(jìn)巷道費(fèi)用為4 000元/m，比沿空留巷每米多1 135元，因此，沿空留巷比掘進(jìn)巷道節(jié)省費(fèi)用49．94萬(wàn)元。由于沿空留巷可回收煤柱，煤柱按照3 m寬計(jì)算，可多回采原煤8．1 t/m。利潤(rùn)平均按200元/t計(jì)算，可增加盈利1 620元/m。采用沿空留巷可回收的煤柱煤量為3 654 t，回收的煤柱總利潤(rùn)為71．28萬(wàn)元。沿空留巷比掘進(jìn)巷道節(jié)約合計(jì)121．22萬(wàn)元。假如掘進(jìn)巷道預(yù)留煤柱煤層變厚或煤柱加寬，則沿空留巷回收的煤炭?jī)r(jià)值高于此理論值。

6 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于高瓦斯礦井，掘進(jìn)過(guò)程中需要治理瓦斯，甚至先掘瓦斯抽放巷道，采用沿空留巷技術(shù)，可以緩解采掘接替緊張的局面。

2)相對(duì)于掘進(jìn)巷道，沿空留巷可節(jié)約121．22萬(wàn)元。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，由于種種原因留下許多煤柱而不能采出。煤柱中數(shù)量最大的損失就是各類巷道的保護(hù)煤柱，尤其是護(hù)巷煤柱［5］。應(yīng)用沿空留巷技術(shù)，可提高采區(qū)回采率，減少資源損失，同時(shí)降低了萬(wàn)噸掘進(jìn)率，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

3)選擇支護(hù)方案要依據(jù)工作面的具體條件，不同的支護(hù)方案經(jīng)濟(jì)效益差距較大，安全系數(shù)也會(huì)隨之改變。

［1］ 華心祝．我國(guó)沿空留巷支護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及改進(jìn)建議［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2006(12)：78－79．

［2］ 劉 毅．德國(guó)煤礦沿空留巷技術(shù)簡(jiǎn)介［J］．山西焦煤科技，2006(10)：44－45．

［3］ 李化敏．沿空留巷頂板巖層控制設(shè)計(jì)［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(5)：651－654．

［4］ 孫恒虎．趙炳利．沿空留巷的理論與實(shí)踐［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1993：39－100．

［5］ 張現(xiàn)民．沿空留巷在新安煤礦15081工作面的應(yīng)用［J］．中州煤炭，2010(8)：73－76．