薄煤層硬頂軟底沿空留巷技術(shù)研究與應用

馬啟廷 陳道志 謝文武

（1.滕州郭莊礦業(yè)有限責任公司，山東 滕州 277500；2.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590）

在我國煤礦開采中留設(shè)的區(qū)段煤柱大多被遺棄，造成煤炭資源的損失。再加上區(qū)段巷道的開掘、準備和維修費用增加了開采成本。因此，研究區(qū)段間不留煤柱，可提高煤炭回收率，對實現(xiàn)礦井高效生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[1]。很多學者對不同開采條件下薄煤層沿空留巷進行了研究[2]，為錦丘煤礦薄煤層沿空留巷提供了理論和技術(shù)上的依據(jù)。錦丘煤礦在堅硬灰?guī)r頂板和泥巖底板情況下應用沿空留巷技術(shù)，少掘一條回采巷道，降低掘進率，減少掘進排矸量，達到了薄煤層安全高效開采的目的。

1 工作面地質(zhì)概況

錦丘煤礦16111工作面為薄煤層工作面，平均煤厚1.18m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，傾角0～5°。煤層直接頂為十下灰?guī)r，厚度為3.20～6.7m，平均厚度4.60m，上部有一層泥巖，厚度為1.30～1.50m，平均厚度為1.40m。直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度0.65～6.6m，平均厚度為3.2m。

2 留巷方案設(shè)計

沿空留巷巷內(nèi)采用工字鋼架棚支護，如圖1所示。工字鋼棚頂梁長度為2.3m，棚腿高度為2.2m，棚腿扎角75～85°，棚距1.2m。架棚前，必須把巷道的頂、幫找實，以確保架棚期間的安全。架棚時，棚梁上要用木料接嚴接實，其厚度不得小于0.1m，棚腿底端必須加工底座，且必須埋到實底。巷旁每隔1.2m支設(shè)一長1.2m、寬1.2m、高與工作面機尾采高等高的木垛，木垛上加木板枇，接實頂板，在兩木垛間隙用連續(xù)木點柱支撐頂板，木點柱要求有一定強度以免強度過低起不到支撐頂板的作用，木點柱直徑保證在16mm。

圖1 巷內(nèi)架棚支護斷面

3 沿空留巷圍巖運動數(shù)值模擬研究

掌握沿空留巷覆巖的運動規(guī)律，可以有效控制沿空留巷圍巖穩(wěn)定性[3]。錦丘煤礦通過數(shù)值模擬的方法分析了沿空留巷覆巖的運動規(guī)律和巷道支護的效果。

3.1 模型的建立

以錦丘煤礦16111工作面運輸巷道為工程條件，建立薄煤層沿空留巷數(shù)值模擬模型。

模型x軸方向的長度為180m，工作面長度120m，y軸方向的長度為80m，z軸方向的高度為50m，煤巖層看作水平，煤層平均厚度1.2m，煤層平均埋深500m。

3.2 巷道圍巖應力變化

通過數(shù)值模擬分析工作面開挖20～60m圍巖塑性區(qū)。煤層未開采時巷道兩幫的煤體產(chǎn)生部分塑性破壞，這是巷道受掘進的采動影響。工作面推過20m后，巷旁木垛部分和木垛外側(cè)頂板處受到的采動影響較嚴重，這是由于煤層采出后，采空區(qū)上方頂板向下運動造成的。工作面推過20～60m之間，巷道底板和煤體的塑性破壞較為嚴重，但木垛巷道一側(cè)支承應力低于采空區(qū)一側(cè)。工作面推過60m后，巷道受影響程度已經(jīng)大大降低，說明工作面推過一定距離后，煤體的應力狀態(tài)已經(jīng)基本不受前方采動的影響。

3.3 沿空留巷巷旁木垛中心距確定

巷旁支護參數(shù)模擬不同巷旁木垛中心距情況下巷道應力和變形，監(jiān)測點設(shè)置同上文一致。模擬方案為：方案一：巷旁木垛中心距4.8m；方案二：巷旁木垛中心距3.6m；方案三：巷旁木垛中心距2.4m。

（1）巷道圍巖應力狀態(tài)變化

對三種方案的巷道圍巖塑性區(qū)狀態(tài)進行分析，可以得出：從木垛采空區(qū)側(cè)上方頂板的應力狀態(tài) 變化來看，方案三的切頂能力最強，其次為方案二，最差的是方案一，隨著巷旁木垛中心距的減小木垛切頂能力會增強，且底板破壞會減小。

（2） 沿空巷道兩幫應力分布

沿空巷道的煤體與木垛兩幫承受垂直應力的分布情況見表1所示。

表1 沿空留巷兩幫垂直應力分布

由表1可以看出，木垛側(cè)的支承壓力遠大于煤體側(cè)的支承壓力，木垛中心距越小，承受垂直壓力越大，木垛側(cè)應力集中系數(shù)越高，相對應的煤體承受垂直應力卻降低。所以，減小木垛中心距有利于減小巷道煤幫的壓力和變形。

（3）巷道頂板移近

圖2 木垛側(cè)巷道頂板垂直位移

圖3 煤體側(cè)巷道頂板垂直位移

從圖2、圖3可以看出，頂板下沉以方案一最大，方案三最小，隨著木垛中心距的減小，巷道的頂板沉降量會減小。

綜上，方案一不能滿足安全生產(chǎn)的要求；方案三對巷道圍巖的控制效果優(yōu)于方案二，故選用方案三，也就是用木垛中心距為2.4m作為巷旁支護體進行沿空留巷。

4 沿空留巷工程實踐

4.1 試驗基本情況

錦丘煤礦在16層煤16111膠帶巷軟底石灰?guī)r頂板試驗沿空留巷。沿空留巷的巷道巷內(nèi)采用工字鋼梯形架棚支護，巷旁采用木垛支護，木垛間距2.4m，留巷高度滿足留巷要求，有效地控制了巷道圍巖的變形，試驗取得了成功。

4.2 經(jīng)濟效益分析

沿空留巷不但可以解決錦丘煤礦采掘接替緊張的局面，降低工人工作強度，避免留煤柱造成應力集中等問題，同時為企業(yè)節(jié)約了大量資金，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。

采用沿空留巷可少掘進巷道790m，節(jié)約掘進費129.8萬元，同時多采出煤炭11954.28t，留一條巷道直接經(jīng)濟效益是854萬元。

5 結(jié)語

實踐表明，與留煤柱護巷相比較，沿空留巷在技術(shù)上和經(jīng)濟上都具有很大的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在：

（1）沿空留巷可以實現(xiàn)無煤柱開采，因而比留煤柱更能提高回采率。在錦丘煤礦沿空留巷與留煤柱護巷相比，一般可使采區(qū)回采率提高7.6～15%。

（2）沿空留巷可以較大降低掘進率，縮短采區(qū)的準備時間，在錦丘煤礦，沿空留巷一般可使采區(qū)巷道的掘進率降低25～30%。

（3）由于沿空留巷處于固定支承壓力的免壓圈內(nèi)，巷道維護狀況可以得到改善，降低了錦丘煤礦的巷道維護費用。此外，由于徹底取消了煤柱，對改善近距離煤層的巷道維護十分有利。

（4）沿空留巷與沿空掘巷相比，不需要滯后掘進，工作面可及時接替，保證生產(chǎn)順利進行。因此，沿空留巷的經(jīng)濟效益是顯著的。

另外，通過16111工作面膠帶巷留巷過程看，該采區(qū)頂板屬堅硬頂板，同時地質(zhì)條件較復雜，斷層較多，在以后的留巷過程中應適當縮小木垛中心距以加大切頂強度，同時加強礦壓監(jiān)測，預報頂板來壓，并確定強化支護范圍。