無煤柱沿空留巷新技術(shù)在中厚突出煤層綜采面的應(yīng)用

徐福林

【摘 要】本文主要針對王家營青利煤礦八層煤層群上部主采層 3#中厚突出煤層。在1301首采面運輸巷應(yīng)用無煤柱沿空留巷技術(shù)，實現(xiàn)了低透氣性煤層群煤與瓦斯共采，減少了半煤巖巷道掘進率，緩解接續(xù)緊張。無煤柱開采，提高資源回收率，增加了經(jīng)濟效益，“U”型通風(fēng)，工作面增大通風(fēng)壓力及風(fēng)量，減少工作面采空區(qū)及上隅角瓦斯涌出，防止瓦斯災(zāi)害發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】突出煤層；無煤柱；沿空留巷；組合梁；開采技術(shù)；經(jīng)濟效益

0.前言

我國煤礦企業(yè)目前積極倡導(dǎo)和推廣應(yīng)用無煤柱沿空留巷開采技術(shù)，在煤礦企業(yè)實施過程中，有的成功，有的失敗，究其原因，大部分則為沒有掌握無煤柱沿空留巷開采技術(shù)的適用條件，就盲目組織施工，對沿空留巷前所施工的巷道沒有做充分的準(zhǔn)備，對沿空留巷前巷道頂?shù)装鍘r性、地質(zhì)構(gòu)造、周期來壓等沒有充分的考慮，加之沿空留巷支護強度承載能力不足導(dǎo)致變形、斷裂，無法修復(fù)，采空區(qū)漏風(fēng)造成瓦斯等有害氣體涌出或采空區(qū)煤炭自燃而引起火災(zāi)。這些因素是沿空留巷失敗的主要原因。

1.沿空留巷定義、適用條件、支護機理

1.1沿空留巷技術(shù)定義

傳統(tǒng)沿空留巷技術(shù)：工作面運輸平巷或回風(fēng)平巷按正常設(shè)計斷面掘進，沿空留巷時，在采空區(qū)靠巷道一側(cè)進行充填形成條帶。巷內(nèi)充填沿空留巷新技術(shù) ： 即原運輸平巷或回風(fēng)平巷一次成巷時 ， 就按大斷面掘進 ，沿空留巷時，在巷道內(nèi)靠采空區(qū)一側(cè)進行充填形成條帶，整個充填帶不在采空區(qū)里面，受原巷內(nèi)支護的保護，將傳統(tǒng)的巷旁充填變革為巷內(nèi)充填，既有利于充填體的穩(wěn)定性控制，又有利于充填工藝的安全與方便實施。

1.2沿空留巷的適用條件

留巷頂?shù)装鍘r性穩(wěn)定，整體性較好；無地質(zhì)構(gòu)造或構(gòu)造較??；周期來壓均衡；直接頂控制高度較小，容易掌控；對原掘進巷道預(yù)先按大斷面掘進，主要增加斷面的寬度，為留巷砌筑隔墻留有一定的寬度；充填材料、施工工藝及進度同采煤工作面生產(chǎn)力相適應(yīng)。

1.3沿空留巷支護機理

對留巷頂板采取加強支護措施，巷道頂板采用組合梁理論進行設(shè)計支護，用錨桿對直接頂進行錨固形成組合梁，再用錨索錨固在老頂穩(wěn)定圍巖上進行懸吊，這樣就阻止了留巷頂板下沉變形斷裂， 控制巖層高度取到老頂上部；同時在留巷內(nèi)靠采空區(qū)一側(cè)進行充填形成條帶隔墻，隔墻外靠采空區(qū)一側(cè)頂板采用錨索、木垛、單體聯(lián)合支護方案，聯(lián)合支護后在砌筑隔墻，隔墻采用花崗巖料石砌筑，隔墻斷面為近等腰梯形，上寬0.8米，下寬1.2米，中高2.83米，沿空留巷隔墻支護強度經(jīng)現(xiàn)場驗證滿足要求，留巷頂板沒有形成離層。詳見1301綜采面運輸巷沿空留巷剖面圖（圖1）。

1301綜采面運輸巷沿空留巷剖面圖（圖1）

2.沿空留巷技術(shù)方案的實施

2.1煤層地質(zhì)與開采技術(shù)條件

根據(jù)國內(nèi)沿空留巷經(jīng)驗，本礦沿空留巷選定王家營青利煤礦一采區(qū)首采面 1301綜采工作面的運輸順槽中實施，1301綜采工作面開采3#煤層，煤層平均厚度 1.7米 。煤層偽頂為泥質(zhì)灰?guī)r薄層，厚度0.1-0.8米，具有生物碎屑結(jié)構(gòu)；直接頂大部分為砂質(zhì)泥巖，厚度一般在 2.8米左右；老頂是以粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主的砂巖互層，厚度一般在 11.49米左右；煤層偽底為泥巖薄層，厚度平均2.5米，其下為粉砂質(zhì)泥巖，厚度平均9.5米。瓦斯絕對涌出量 13m3/min 瓦斯相對涌出量為8.9m3/t，3#煤層經(jīng)鑒定屬Ⅲ類不易自然。

2.2沿空留巷整體穩(wěn)定性監(jiān)測

為探討充填隔墻寬度、充填體強度對沿空留巷效果的影響， 以便評價充填體參數(shù)對沿空留巷圍巖穩(wěn)定控制效果的影響，我們在留巷頂板每隔50米安裝一組頂板離層儀，每日設(shè)專人進行頂板離層觀測，繪制頂板離層特性曲線圖，以便動態(tài)了解頂板下沉量情況，為及時加強支護提前做好預(yù)警工作，通過井下現(xiàn)場實測，頂板下沉量最大30毫米，滿足回采工作面頂板垮落應(yīng)力調(diào)整期間的最大承載要求，沿空留巷整體穩(wěn)定性較好。

2.3沿空留巷施工順序及步驟

首先對1301綜采面運輸巷采用大斷面巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護，提前對原位沿空留巷進行預(yù)加強支護和預(yù)留一定的寬度；二是回采前在工作面前方運輸巷內(nèi)，提前砌筑隔墻；三是做好沿空留巷前工作面2.5米寬頂板條帶的臨時支護，工作面每推進1米，在2.5米寬條帶中間1.25米處架設(shè)一根單體柱，單體柱間距1.0米；四是沿空留巷2.5米頂板條帶永久支護，采用錨索、木垛聯(lián)合支護，錨索間排距1.5×2米，每排2根，長度6.4米，錨固在頂板老頂穩(wěn)定巖層中；木垛間距4.0米，坑木長度1.4米，永久支護完畢方可撤掉臨時支護單體柱，嚴(yán)禁空頂回采。五是及時砌筑隔墻，工作面推進多少米砌筑多少米，防止采空區(qū)漏風(fēng)，砌筑隔墻設(shè)專業(yè)隊伍進行，便于施工管理和保證隔墻工程質(zhì)量。詳見1301綜采面運輸巷沿空留巷平面圖（圖2）

2.4 應(yīng)力調(diào)整期間臨時補強加固技術(shù)

應(yīng)力調(diào)整期間是指滯后工作面 100米范圍內(nèi)受采動影響的區(qū)域，采取單體液壓支柱的加強支護形式。單體柱鉸接頂梁 ，靠近工作面隔墻里側(cè)采用一梁三柱，阻止留巷頂板圍巖下沉變形。留巷穩(wěn)定后巷道斷面面積大于10m2，滿足了留巷的要求。

1301綜采面運輸巷沿空留巷平面圖（圖2）

2.5沿空留巷通風(fēng)系統(tǒng)布置

沿空留巷通風(fēng)系統(tǒng)布置，因采場布局方式、巷道布置條件的不同而分為兩種。一是礦井進行采區(qū)設(shè)計時，應(yīng)優(yōu)先考慮沿空留巷Y型通風(fēng)方式適用條件的巷道布置，做到生產(chǎn)系統(tǒng)滿足沿空 留巷 ， 實行Y型通風(fēng)的需要，主要利用邊界回風(fēng)巷道構(gòu)筑Y型通風(fēng)。在采區(qū)邊界布置一條回風(fēng)上山，采區(qū)各工作面在切眼位置施工回風(fēng)聯(lián)巷與邊界回風(fēng)上山連通，形成Y型通風(fēng)道。二是改造現(xiàn)有的巷道系統(tǒng) ， 使擬采用沿空留巷Y型通風(fēng)開采的工作面具備穩(wěn)定可靠的二進一回。1301綜采工作面3#煤層瓦斯已抽采達標(biāo)，殘余瓦斯含量最大5m3/t，工作面絕對瓦斯涌出量最大4m3/min，工作面配風(fēng)1500m3/min，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸畲?.23%，上隅角瓦斯從未超限，根據(jù)這一事實1301綜采工作面采用“U” 型通風(fēng)方式。詳見1301綜采面通風(fēng)系統(tǒng)圖（圖3）

3.沿空留巷經(jīng)濟效益分析

1301運輸巷原有巷道成本為 4700元/m（ 包括材料、 人工 ）；沿空留巷增加支護成本9000元/m（含增加的3.5米條帶永久支護材料隔墻、錨索、木垛等）。

3.1沿空留巷節(jié)約成本

沿空留巷節(jié)約成本合計18312.5元/m。

（1）節(jié)省瓦斯抽放鉆場巷道250米，58.75萬元，2350元/m。

（2）節(jié)約巷道防突抽放鉆場及工作面鉆孔工程量19500米（其中鉆場15000米，工作面鉆孔4500米）， 節(jié)省打鉆費用146.25萬元，1462.5元/m。

（3）回收煤柱2.5萬t，1000萬元，合10000元/m。

（4）少掘進一條回風(fēng)順槽，節(jié)省資金 450萬元，4500元/m。

1301綜采面通風(fēng)系統(tǒng)圖（圖3）

3.2沿空留巷綜合效益

根據(jù)以上分析，沿空留巷砌筑隔墻及條帶加強支護需投入成本約9000元/m；沿空留巷節(jié)省費用合計18312.5 元/m；因此，沿空留巷的綜合經(jīng)濟效益為 9312.5元/m， 1301綜采工作面運輸巷沿空留巷1000 m， 經(jīng)濟效益 931.25 萬元。

3.3沿空留巷社會效益和優(yōu)點

（1）實現(xiàn)了低透氣性煤層群煤與瓦斯共采，達到瓦斯抽采的最大化。

（2） 采用無煤柱開采先進新技術(shù)，實現(xiàn)了復(fù)合煤層群下部被保護煤層的解放，有利于瓦斯治理。

（3）留巷本煤層傾向長鉆孔預(yù)抽瓦斯，抽放效果好，節(jié)省至少兩條用于瓦斯治理的高抽巖巷工程及大量鉆孔工程，“一巷二用”，簡化了開采布局和采區(qū)巷道系統(tǒng)。

（4） 減少巷道掘進量，緩解采掘接替緊張的矛盾。

（5）回收區(qū)段煤柱 8-20m，提高采區(qū)資源回收率5～8%。

（6）Y型通風(fēng)條件下，工作面溫度相對下降3～5℃且作業(yè)人員多在進風(fēng)流中工作，改善勞動作業(yè)環(huán)境，利于深井開采的熱害治理。

（7）抽采的高濃度瓦斯可直接高效利用，實現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)和環(huán)境生態(tài)保護的和諧 。

4.重要結(jié)論及成果

通過對王家營青利煤礦1301綜采工作面運輸巷（1000m）采用無煤柱沿空留巷新技術(shù)，取得了以下重要結(jié)論及成果：

（1）提出巷內(nèi)充填原位沿空留巷新概念，即在巷道內(nèi)靠采空區(qū)一側(cè)進行充填形成條帶 ， 整個充填帶不在采空區(qū)里面，受原巷內(nèi)支護的保護。既有利于充填體的穩(wěn)定性控制，又有利于充填工藝的安全與方便實施 。

（2）對1301綜采面運輸巷采用大斷面巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護，提前對原位沿空留巷進行預(yù)加強支護和預(yù)留一定的寬度，然后對工作面后方沿采空區(qū)側(cè)頂板條帶進行補強支護， 再進行巷內(nèi)充填隔墻； 并對充填體隔墻進行及時加固，該方案現(xiàn)場操作性強，切實可行。

（3）建立了1301綜采工作面運輸巷原位沿空留巷礦壓觀測，分析圍巖變形下沉與充填體隔墻的整體穩(wěn)定性，以便及時采取補強措施。

（4）對留巷頂板采取加強支護措施，巷道頂板采用組合梁理論進行設(shè)計支護，用錨桿對直接頂進行錨固形成組合梁，再用錨索錨固在老頂穩(wěn)定圍巖上進行懸吊，這樣就阻止了留巷頂板下沉變形斷裂， 控制巖層高度取到老頂上部；同時在留巷內(nèi)靠采空區(qū)一側(cè)進行充填形成條帶隔墻，隔墻外靠采空區(qū)一側(cè)頂板采用錨索、木垛、單體聯(lián)合支護方案，聯(lián)合支護后在砌筑隔墻，隔墻采用花崗巖料石砌筑。對1301綜采工作面運輸巷原位沿空留巷進行分析 ， 探討了充填寬度、充填體強度對空留巷圍巖整體效果的影響。分析得出，過低的充填體強度達不到留巷的要求，過高的充填強度會使充填體不能適 當(dāng)?shù)淖冃巫寜?，也會?dǎo)致圍巖變形較大。

（5）充填材料料石隔墻，滿足留巷圍巖控制的強度要求。同時對充填體隔墻進行了加固措施，使充填體保持整體性和穩(wěn)定性，留巷穩(wěn)定后的最終巷道斷面面積大于 10m2。

（6）王家營青利煤礦首采區(qū)3#突出煤層1301綜采工作面運輸巷成功采用沿空留巷無煤柱開采新技術(shù)，獲得巨大的經(jīng)濟技術(shù)效益，緩解了采煤工作面接續(xù)緊張的被動局面，下一個接續(xù)面1303綜采工作面運輸巷或其他采區(qū)各工作面運輸及回風(fēng)巷，如地質(zhì)條件沒有發(fā)生較大變化，具備沿空留巷的條件，也同樣采用這種辦法，相信沿空留巷無煤柱開采新技術(shù)在全國煤礦企業(yè)類似礦井中必將大力推廣應(yīng)用。