“三軟”煤層綜采工作面沿空留巷技術(shù)應(yīng)用

張玉攀

(大同煤礦集團(tuán)燕子山礦)

“三軟”煤層指煤礦開采中遇到的軟頂板巖層、軟主采煤層和軟煤層底板巖層，目前，薄及中厚煤層、頂板為巖層等條件的沿空留巷技術(shù)已趨成熟，但針對“三軟”煤層且煤層厚度變化較大的綜采放頂煤工作面沿空留巷研究較少，基本沒有應(yīng)用[1-2]。常村煤礦煤層屬于“三軟”煤層，為了解決21001與21021工作面接替問題，實現(xiàn)快速掘進(jìn)，根據(jù)國內(nèi)外和鄰近礦井沿空留巷的經(jīng)驗，結(jié)合該礦地質(zhì)特點(diǎn)及回采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在21001綜放工作面下順槽實施沿空留巷工藝，為以后的“三軟”煤層開采提供了寶貴的技術(shù)經(jīng)驗，對礦井采掘接替平衡具有重要意義。

1 工作面概況

21001綜放工作面位于常村煤礦21采區(qū)西翼，工作面走向長795 m，傾向長160 m，平均煤厚4.64 m，煤層傾角為13°～29°。工作面總體上為一北西傾單斜構(gòu)造形態(tài)，地質(zhì)條件中等，煤層直接頂為大占砂巖，厚約17.5 m；直接底為砂質(zhì)砂巖，厚約5.7 m；老底為L8灰?guī)r，厚約1.8 m。工作面采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤回采工藝，下順槽作為進(jìn)風(fēng)巷和輔助運(yùn)輸巷，布置有一部SZZ764-200型轉(zhuǎn)載機(jī)和一部SSJ1000/2×160s型膠帶運(yùn)輸機(jī)。

21001工作面下順槽采用16.2 m236#U型鋼棚支護(hù)，巷道凈高3.5 m，下凈寬5.6 m，棚距為0.6 m，四道聯(lián)鎖梁加固，現(xiàn)有巷道整體支護(hù)狀況良好，但仍有部分巷道變形明顯，現(xiàn)場實測巷道寬4.6 m，大部分巷道高度在3.1 m左右，少部分巷道較低，凈高僅2.1 m。根據(jù)現(xiàn)有巷道的布置情況和21001下順槽地質(zhì)情況，在21001下順槽174 m向外進(jìn)行試驗。

2 “三軟”煤層綜放沿空留巷技術(shù)難點(diǎn)

綜放沿空留巷圍巖控制技術(shù)可以提高煤炭采出率，降低巷道掘進(jìn)率，緩解采掘緊矛盾，其技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。結(jié)合常村煤礦21001綜放工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，為了保證留巷成功，保持通風(fēng)斷面滿足安全生產(chǎn)的要求，盡可能地減小留巷的成本，提出使用錨網(wǎng)+架棚支護(hù)、木垛+袋裝矸石充填撕下幫沿空留巷方案。該方案有以下技術(shù)難點(diǎn)：

(1)實體煤幫控制難度大。由于綜放開采一次采出的煤層厚度大，頂板巖層形成的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離采場，巷道圍巖經(jīng)受長時間的動壓作用，不僅非采煤幫劇烈鼓出，而且很可能底鼓強(qiáng)烈，引起非采煤幫的進(jìn)一步鼓出。同時，煤幫為軟弱煤層，在老頂破斷回轉(zhuǎn)過程中容易發(fā)生流變，因此，煤幫控制難度大。

(2)巷旁充填體力學(xué)性能要求高。充填體緊鄰采空區(qū)，基本頂在斷裂旋轉(zhuǎn)的過程中，對充填體施加較大的載荷，容易導(dǎo)致充填體壓壞，對充填體強(qiáng)度要求較高；采空區(qū)冒落矸石容易導(dǎo)致充填體鼓出、滑移甚至推倒充填體，對充填體的穩(wěn)定性要求高[3]。老頂破斷回轉(zhuǎn)是不可避免的，既要充填體具有一定的可縮量適應(yīng)頂板下沉，又要具有較大的承載能力切斷采空區(qū)側(cè)頂板，阻止巷內(nèi)頂板過快回轉(zhuǎn)變形。

(3)撕下幫留巷斷面大。本次留巷采用撕下幫方案，巷道跨度較大，通常而言，跨度越大，支護(hù)越困難[4]。

(4)頂煤控制難度大。煤層厚度變化較大，在厚煤區(qū)綜放沿空留巷上方為松軟頂煤，與普通沿空留巷上方為巖層相比，其強(qiáng)度和剛度小，工作面推過后頂煤易破碎、塌冒，需要采取合理的控制技術(shù)保持頂煤穩(wěn)定，實現(xiàn)充填體與上覆巖層力的傳遞，并有效切斷采空區(qū)側(cè)直接頂[5-6]。因此，頂煤控制難度大。

3 施工方案

3.1 超前巷煤幫加固

超前工作面39 m采用U型鋼平拱型支架在下順槽下幫施工巷道(以下簡稱超前巷)。在超前巷下幫和頂部各支設(shè)一道11#工字鋼聯(lián)鎖梁加固，在超前巷上幫暫時不站U型鋼棚棚腿，但采用DW型普通單體液壓支柱配合Π型鋼梁打雙抬棚進(jìn)行臨時支護(hù)，同時用帶梁錨索加固圍巖，錨索規(guī)格為φ17.8 mm×8 000 mm，待工作面推過超前巷支架位置時，及時扶U型鋼棚棚腿，并在上幫安裝一道11#工字鋼聯(lián)鎖梁。超前掘巷支護(hù)見圖1。

圖1 超前掘巷支護(hù)方案(單位：mm)

3.2 工作面超前煤幫支護(hù)

當(dāng)工作面推進(jìn)到超前巷位置前，在原U型鋼棚頂梁兩端固定11#工字鋼梁，在梁上支設(shè)木垛，并按設(shè)計方案要求打設(shè)DW型單體液壓支柱作為加強(qiáng)支護(hù)(圖2)。打設(shè)好單體支柱后，拆除原U型鋼棚靠回采工作面一側(cè)的棚腿。在移架前，在工作面端頭支架上鋪設(shè)金屬網(wǎng)，并在每道金屬網(wǎng)下穿一道鋼絲繩，鋼絲繩繩頭固定在原U型鋼棚頂梁上。

圖2 工作面超前支護(hù)方案(單位：mm)

3.3 工作面后方充填體施工

工作面移架后，立即沿采空區(qū)側(cè)在原U型鋼棚頂梁兩梁端固定的工字鋼梁端和木垛下打設(shè)一排密集木支柱，并用單體支柱加強(qiáng)支護(hù)，見圖3(a)。然后在要求的位置進(jìn)行支丁，支丁規(guī)格為2 m×2 m(寬×長)。支丁后，扶上U型鋼棚腿，并安裝工字鋼聯(lián)鎖梁，然后拆除U型鋼棚柱腿與木垛間的單體液壓支柱，掛上風(fēng)筒布或編織布，在U型鋼棚腿和木垛間填實袋裝矸石，形成留巷。最后每留10～50 m 巷道噴一次漿，見圖3(b)。

圖3 移架后支護(hù)示意(單位：mm)

具體支護(hù)參數(shù)：新掘巷道內(nèi)頂板安設(shè)2根φ17.8 mm×6 000 mm(8 000 mm)錨索，錨索間排距為1 000 mm×1 200 mm，每根錨索使用4支K2350樹脂錨固劑，錨索預(yù)應(yīng)力要求不小于70 kN，錨固力不小于260 kN，錨索外露長度大于150 mm，小于300 mm,帶梁錨索施工超前工作面不低于100 m。實煤體幫安設(shè)3根φ17.8 mm×6 000 mm(8 000 mm)錨索，錨索間排距為1 000 mm×1 200 mm，每根錨索使用4支K2350樹脂錨固劑，錨索預(yù)應(yīng)力要求不小于70 kN，錨固力不小于260 kN，錨索外露長度大于150 mm，小于300 mm,帶梁錨索施工超前工作面不低于100 m。當(dāng)U型鋼棚支護(hù)巷道出現(xiàn)斷椽子、爛網(wǎng)、大網(wǎng)兜等現(xiàn)象時，必須重新進(jìn)行卸壓、聯(lián)網(wǎng)、腰幫接頂。

3.4 工作面后方充填空間維護(hù)

轉(zhuǎn)載機(jī)自移梁應(yīng)始終平行于端頭支架；移架后，立即在移架后方的空間打上帶鉸接頂梁的單體液壓支柱，見圖4。充填空間維護(hù)的單體液壓支柱應(yīng)維持在2～6排，沿工作面推進(jìn)方向，單體液壓支柱間應(yīng)帶鉸接頂梁，單體液壓支柱排距與工作面推進(jìn)距離一致，平均為600 mm，除最靠近端頭支架的1～2排外，每排單體液壓支柱為5根，間距為800 mm，見圖5。當(dāng)單體液壓支柱的排數(shù)達(dá)到6排時，立即支設(shè)木垛和充填矸石。支設(shè)木垛前，先沿工作面推進(jìn)方向，在支設(shè)木垛的空間上方架設(shè)2根2.4 m長木頂梁，兩梁間距為1.6 m，并分別用2根單體液壓支柱抬住2根頂梁，然后拆除兩梁中間的單體液壓支柱及鉸接頂梁；沿垂直于工作面推進(jìn)方向架設(shè)2根2.2 m長木頂梁，兩梁間距為2.0 m，并分別用2根單體液壓支柱抬住2根頂梁，見圖6。木垛架設(shè)前，用木支柱替換采空區(qū)側(cè)的單體液壓支柱，或在打單體液壓支柱時，直接用木支柱替代這些位置的單體液壓支柱，但支設(shè)時一定要有力。在2組頂梁的保護(hù)下，立即架設(shè)木垛，并接住前面用單體液壓支柱抬住的頂梁。為提高木垛的穩(wěn)定性，在架設(shè)木垛的過程中，隨木垛的架設(shè)，不斷用袋裝矸石填實木垛中間及周圍空間，見圖7。木垛架設(shè)后，拆除木垛與幫間的2列單體液壓支柱，同時用袋裝矸石填實木垛與幫間的空間，見圖8。

圖4 移架后充填空間維護(hù)平面(單位：mm)

圖5 充填空間最大維護(hù)平面(單位：mm)

圖6 支設(shè)木垛前頂梁架設(shè)示意(單位：mm)

圖7 木垛支設(shè)與袋裝矸石充填示意(單位：mm)

圖8 木垛支設(shè)后袋裝矸石充填巷道示意

4 結(jié) 語

工作面沿空留巷段巷內(nèi)支護(hù)、巷旁支護(hù)方案基本滿足圍巖控制要求，工作面后方單體支柱對頂板的控制效果顯著，采用木垛、袋裝矸石進(jìn)行留巷，原材料易獲取，成本低，減少巷道的無效掘進(jìn)，為沿空留巷的正常實施提供了保障，緩解了采掘接替緊張的問題，具有顯著的技術(shù)效益。在松軟煤層工作面保證充填體的維護(hù)、充填空間的維護(hù) 、實體煤幫的加固是保證沿空留巷支護(hù)效果的關(guān)鍵。

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