基于工作面過(guò)空巷布置方式的新型無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)在高河礦的應(yīng)用研究

李安紅 康顯強(qiáng) 方樹(shù)林

(1.山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省長(zhǎng)治市，046100；2.山西高河能源有限公司，山西省長(zhǎng)治市，046100；3.天地科技股份有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

無(wú)煤柱開(kāi)采是提高煤炭資源回收率[1]、減少巷道掘進(jìn)量、改善巷道維護(hù)[2]、治理瓦斯超限[3]的一項(xiàng)先進(jìn)煤炭開(kāi)采工藝[4]，有利于礦井安全生產(chǎn)和改善礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。在我國(guó)山東[5]、河南[6]、河北[7]、江蘇[8]、內(nèi)蒙古[9]等礦區(qū),在淺埋[10]、深埋[6]、中厚[6]及厚煤層[11-12]、大采高[9]、綜放[13]等各種條件下，積極發(fā)展無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，取得了諸多成果。推行無(wú)煤柱開(kāi)采，不僅對(duì)生產(chǎn)礦井進(jìn)行技術(shù)改造、緩解采掘緊張關(guān)系和延長(zhǎng)礦井壽命具有現(xiàn)實(shí)意義[14-16]，而且也是煤炭企業(yè)改善安全生產(chǎn)條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[17]、實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、增效的重要途徑。

筆者以山西潞安集團(tuán)高河礦為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、工程實(shí)踐等3方面論證了無(wú)煤柱護(hù)巷的可行性和優(yōu)越性。

1 工程概況

高河礦在綜采工作面設(shè)計(jì)中采用留煤柱護(hù)巷布置方式，為提升煤炭資源回收率、延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，在后續(xù)盤區(qū)設(shè)計(jì)中計(jì)劃采用無(wú)煤柱護(hù)巷方式。

W1318和W1319工作面為高河礦西一盤區(qū)的相鄰工作面，開(kāi)采3號(hào)煤層，平均煤厚6.7 m，平均傾角5°，W1318工作面采用“兩進(jìn)一回”的“Y型+高抽巷”通風(fēng)方式，即布置有膠帶巷、進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)巷(下個(gè)工作面的膠帶巷)回風(fēng)，高抽巷布置在內(nèi)錯(cuò)進(jìn)風(fēng)巷40 m且在煤層頂板上方40 m的巖層內(nèi)，用于抽采裂隙帶瓦斯。W1318工作面在回采過(guò)程中，機(jī)頭(膠帶巷側(cè))采用垮落法管理頂板，機(jī)尾(進(jìn)風(fēng)巷側(cè))采用柔模墻沿空留巷。

現(xiàn)W1318工作面已回采完畢，其進(jìn)風(fēng)巷也已沿空留設(shè)完畢。擬將復(fù)用W1318沿空留巷作為開(kāi)采W1319工作面的一條巷道，通過(guò)W1319工作面的工程實(shí)踐論證留巷的二次復(fù)用可靠性，從而驗(yàn)證無(wú)煤柱開(kāi)采的可行性，為高河礦后續(xù)采用無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為此，提出了W1309工作面的巷道布置方案。

2 W1319工作面巷道布置方案設(shè)計(jì)

根據(jù)高河礦現(xiàn)有水文地質(zhì)條件，通過(guò)對(duì)W1318工作面的巷道布置方式進(jìn)行調(diào)研和分析，結(jié)合高河礦現(xiàn)有運(yùn)輸及通風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)W1319工作面提出以下3種巷道布置方案。

2.1 留大煤柱護(hù)巷

W1319工作面留大煤柱護(hù)巷布置如圖1所示。

圖1 W1319工作面留大煤柱護(hù)巷布置

W1319工作面采用留大煤柱護(hù)巷布置方式。其中，將W1318工作面回風(fēng)巷(“Y型”通風(fēng)回風(fēng)通道)和南翼帶式輸送機(jī)大巷相連作為W1319工作面膠帶巷；根據(jù)以往留煤柱護(hù)巷現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，在W1318沿空留巷往南35 m沿底板新掘一條巷道作為W1319工作面進(jìn)風(fēng)巷；將W1318沿空留巷復(fù)用為回風(fēng)巷。由于留設(shè)35 m煤柱，工作面長(zhǎng)度為294 m。

2.1.1 通風(fēng)系統(tǒng)

留煤柱護(hù)巷布置方式采用“兩進(jìn)一回”的“Y型”通風(fēng)方式，膠帶巷、進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)，W1318工作面沿空留巷作為W1319工作面回風(fēng)巷，根據(jù)工作面瓦斯含量計(jì)算，工作面配風(fēng)量為3800 m3/min。

2.1.2 運(yùn)輸系統(tǒng)

膠帶巷安設(shè)帶式輸送機(jī)運(yùn)煤，進(jìn)風(fēng)巷作為輔助運(yùn)輸和設(shè)備安裝主要通道，確保瓦斯抽采管路安設(shè)，材料、設(shè)備安裝及更換等。

2.2 傳統(tǒng)無(wú)煤柱護(hù)巷

W1319工作面無(wú)煤柱護(hù)巷布置如圖2所示。

圖2 W1319工作面?zhèn)鹘y(tǒng)無(wú)煤柱護(hù)巷布置

W1319工作面采用無(wú)煤柱護(hù)巷方式。其中，將W1318工作面回風(fēng)巷和南翼帶式輸送機(jī)大巷相連作為W1319工作面膠帶巷；將W1318工作面沿空留巷復(fù)用為W1319工作面回風(fēng)巷。由于該巷道布置方式不需要留設(shè)煤柱，工作面長(zhǎng)度為334 m，沿空留巷作為回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷道使用。

2.2.1 通風(fēng)系統(tǒng)

采用“一進(jìn)一回”的“U型”通風(fēng)方式，膠帶巷進(jìn)風(fēng)，上一個(gè)工作面沿空留巷作為本工作面回風(fēng)巷回風(fēng)，根據(jù)工作面瓦斯含量計(jì)算，工作面配風(fēng)量為3800 m3/min。

2.2.2 運(yùn)輸系統(tǒng)

膠帶巷安設(shè)帶式輸送機(jī)運(yùn)煤，上一個(gè)工作面沿空留巷作為本工作面輔助運(yùn)輸和設(shè)備安裝主要通道，保證后期瓦斯抽采管路、材料和主要設(shè)備運(yùn)輸及安裝。

2.3 工作面過(guò)空巷新型無(wú)煤柱護(hù)巷

W1319工作面W型巷道布置如圖3所示。

圖3 W1319工作面過(guò)空巷布置圖

W1319工作面采用W型巷道布置方式。其中，將W1318工作面回風(fēng)巷(“Y型”通風(fēng)回風(fēng)通道)和南翼帶式輸送機(jī)大巷相連作為W1319工作面膠帶巷；將W1318工作面沿空留巷復(fù)用為W1319工作面進(jìn)風(fēng)巷；在W1318沿空留巷往南35m沿底板掘一條巷道作為W1319工作面回風(fēng)巷。

該巷道布置方式沿著工作面中間掘一條巷道作為回風(fēng)巷道，兼做輔助運(yùn)輸巷道使用，工作面在回采過(guò)程需要過(guò)空巷，無(wú)需留煤柱，但需要多掘進(jìn)一條巷道。工作面長(zhǎng)度也為334 m。

2.3.1 通風(fēng)系統(tǒng)

采用“兩進(jìn)一回”的“W型”通風(fēng)方式，膠帶巷、沿空留巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)巷回風(fēng)。根據(jù)工作面瓦斯含量計(jì)算，工作面配風(fēng)量為3800 m3/min，其中膠帶巷2600 m3/min，沿空留巷1200 m3/min，現(xiàn)有巷道斷面能夠滿足要求。

2.3.2 運(yùn)輸系統(tǒng)

膠帶巷運(yùn)煤，回風(fēng)巷作為材料、主要設(shè)備安裝更換主要通道，能夠滿足安全生產(chǎn)作業(yè)需要。

3 W1319工作面3種巷道布置方案對(duì)比分析

3.1 頂板上覆巖層結(jié)構(gòu)演化規(guī)律分析

留大煤柱護(hù)巷方案中，本工作面回采過(guò)后，在煤柱和柔模墻支撐下，沿空留巷上覆巖層結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞，如圖4所示。同時(shí)，根據(jù)以往留煤柱護(hù)巷現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，巷道受煤柱和煤體保護(hù)，在一定強(qiáng)度的錨桿網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)情況下圍巖變形處于可控范圍之內(nèi)，巷道整體變形較小，安全風(fēng)險(xiǎn)低。

無(wú)煤柱護(hù)巷方案中，沿空巷道受二次采動(dòng)影響，本工作面回過(guò)后采空區(qū)側(cè)上覆巖層穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到完全破壞，如圖5所示，造成沿空留巷產(chǎn)生較大變形，安全風(fēng)險(xiǎn)較高，不宜直接投入工程實(shí)踐。

圖4 留煤柱護(hù)巷上覆巖層結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 傳統(tǒng)無(wú)煤柱護(hù)巷上覆巖層結(jié)構(gòu)示意圖

W型布置方案中，預(yù)先在工作面中間新掘一條巷道作為回風(fēng)及輔助運(yùn)輸之用，工作面回采時(shí)直接推過(guò)、不保留，這種情況下沿空巷道在本工作面回采過(guò)后上覆巖層結(jié)構(gòu)雖然也遭到破壞，如圖6所示，但是破壞引起的圍巖變形由工作面中間巷道和沿空巷道共同承受，受到一定變形的沿空巷道在采取錨桿(索)聯(lián)合支護(hù)及超前棚加強(qiáng)支護(hù)后，可以作為進(jìn)風(fēng)巷使用，安全風(fēng)險(xiǎn)居中。

圖6 工作面過(guò)空巷上覆巖層結(jié)構(gòu)示意圖

因此，從安全風(fēng)險(xiǎn)角度分析，留大煤柱安全風(fēng)險(xiǎn)最低，“W型”布置安全風(fēng)險(xiǎn)居中，無(wú)煤柱護(hù)巷圍巖變形較大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

3.2 巷道圍巖控制效果分析

應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，對(duì)上述3種方案下的巷道圍巖變形情況進(jìn)行模擬分析。模型尺寸為200 m×270 m×71 m(長(zhǎng)×寬×高)，模型頂部為自由邊界，施加10.25 MPa垂直應(yīng)力；兩側(cè)施加水平約束，底部施加垂直約束。采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則描述巖石的破壞，工作面模型和各巖層巖石力學(xué)參數(shù)分別如圖7和表1所示。

圖7 模型三維示意圖

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表

巷道變形模擬結(jié)果如圖8所示。根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，留大煤柱護(hù)巷、工作面過(guò)空巷布置和傳統(tǒng)無(wú)煤柱布置巷道變形量依次增加。其中，大煤柱護(hù)巷巷道頂?shù)装逡平繛?82 mm，兩幫移近量為298 mm；工作面過(guò)空巷布置巷道頂?shù)装逡平繛?42 mm，兩幫移近量為368 mm；傳統(tǒng)無(wú)煤柱護(hù)巷巷道頂?shù)装逡平繛?55 mm，兩幫移近量為375 mm。因此，從巷道圍巖控制效果的角度來(lái)看，留設(shè)大煤柱巷道最容易維護(hù)，工作面過(guò)空巷布置次之，傳統(tǒng)無(wú)煤柱巷道最難維護(hù)。

圖8 巷道變形模擬結(jié)果

綜上，為確保方案安全經(jīng)濟(jì)可靠，確定在工程實(shí)踐中采用工作面過(guò)空巷巷道布置方案，通過(guò)監(jiān)測(cè)沿空留巷變形情況，來(lái)進(jìn)一步研究無(wú)煤柱護(hù)巷的可行性。

4 工程實(shí)踐

在高河能源W1319工作面按照工作面過(guò)空巷方案布置巷道，回采過(guò)程中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)巷道表面位移，通過(guò)分析巷道圍巖變形為高河煤礦無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)提供實(shí)踐支撐。

4.1 巷道變形情況分析

在沿空留巷和回風(fēng)巷內(nèi)每間隔5 m布置表面位移測(cè)站，每天對(duì)巷道頂?shù)装寮皟蓭偷囊平窟M(jìn)行觀測(cè)，選取回采進(jìn)尺45～315 m區(qū)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果分別如圖9、圖10所示?？梢钥闯?，沿空留巷在推進(jìn)至110 m處頂?shù)装逡平孔畲鬄?47 mm，在推進(jìn)至115 m處兩幫移近量最大為1145 mm，巷道第一次出現(xiàn)錨桿和錨索繃斷、柔模包傾斜和破包、底鼓等現(xiàn)象出現(xiàn)在回采進(jìn)尺120～130 m處。

分析認(rèn)為，工作面過(guò)空巷巷道布置方案中沿空留巷受二次采動(dòng)影響和工作面頂板來(lái)壓影響，頂?shù)装遄畲笠平?47 mm，兩幫最大移近量1145 mm，圍巖變形量處于可控范圍之內(nèi)，沿空留巷整體留巷質(zhì)量較好，可以在無(wú)煤柱護(hù)巷中復(fù)用。

圖9 W1319進(jìn)風(fēng)巷(沿空留巷)表面位移

圖10 W1319回風(fēng)巷表面位移

4.2 圍巖變形控制措施

根據(jù)礦壓觀測(cè)和分析，針對(duì)沿空留巷受二次采動(dòng)影響和周期來(lái)壓影響發(fā)生變形情況提出如下控制措施。

(1)調(diào)整超前支護(hù)。根據(jù)巷道圍巖變形情況對(duì)超前支護(hù)進(jìn)行調(diào)整。一是縮小沿空留巷超前棚棚距，由0.8 m改為0.6 m；二是加長(zhǎng)超前棚距離，由60 m改為100 m；三是在沿空留巷超前棚60 m范圍內(nèi)，由一梁三柱棚改為架設(shè)一梁四柱棚支護(hù)頂板，加強(qiáng)頂板支護(hù)，確保頂板支護(hù)有效。

(2)拉底。受二次采動(dòng)和工作面周期來(lái)壓影響，沿空留巷底板均勻不同程度的底鼓，最大底鼓量150 mm，對(duì)于二次復(fù)用沿空留巷，影響運(yùn)輸?shù)膮^(qū)段可適當(dāng)進(jìn)行拉底。

(3)錨桿錨索防護(hù)措施。根據(jù)礦壓觀測(cè)情況,在周期來(lái)壓過(guò)程中,錨桿錨索會(huì)發(fā)生崩斷情況,在沿空留巷和回風(fēng)巷頂板采用有效措施，防止錨桿錨索繃斷射出傷人。

(4)補(bǔ)網(wǎng)。在周期來(lái)壓過(guò)程中,巷道發(fā)生破網(wǎng)現(xiàn)象。在沿空留巷和回風(fēng)巷頂板、煤墻和柔模墻破網(wǎng)處提前補(bǔ)網(wǎng)，在頂板破碎、煤墻墜包、柔模墻變形嚴(yán)重的區(qū)域加補(bǔ)一層金屬網(wǎng)，確保在周期來(lái)壓期間無(wú)漏頂和片幫現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)高河礦采用工作面過(guò)空巷巷道布置方案，沿空留巷圍巖變形整體處于可控范圍之內(nèi)，證明此種形式的新型無(wú)煤柱開(kāi)采在技術(shù)上具有可行性。

(2)基于工作面過(guò)空巷巷道布置方式的煤炭開(kāi)采技術(shù)無(wú)需留設(shè)煤柱，提升煤炭資源回收率的同時(shí)顯著降低原煤生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)在工作面過(guò)空巷巷道布置方案中，針對(duì)沿空留巷變形情況，可以采用調(diào)整超前支護(hù)、拉底、捆綁錨索、補(bǔ)網(wǎng)等措施控制巷道圍巖變形，確保安全高效生產(chǎn)。