祥升煤礦6 號煤柔模混凝土沿空留巷技術研究與應用

呂 龍

（山西壽陽潞陽祥升煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

任何一種沿空留巷技術的工業(yè)應用，都要針對具體的煤層賦存條件、開采技術條件等各種相關影響因素進行嚴格的計算和各項參數(shù)設計，事先要有穩(wěn)定可靠的技術預案保障[1-4]；因此，本著安全第一、可靠高效的原則，設計適用于上覆采空區(qū)近距離煤層的沿空留巷技術與工藝，是祥升煤業(yè)6 號煤層運用沿空留巷回采工藝時面臨的重要問題，需要認真謹慎、科學合理地選擇和設計沿空留巷技術方案，達到礦井安全高效開采的要求。

1 工程背景

祥升煤業(yè)6202 工作面開采6 號煤層，煤層厚度0.80～2.31 m，平均1.80 m。工作面寬度為200 m，煤層埋深250 m。6 號煤層工作面位于上方3 號煤層采空區(qū)下部，與3 號煤層的層間距為7.05～13.16 m，平均9.61 m，頂板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。

2 工作面開采數(shù)值模擬

2.1 模型建立

隨著計算機技術的發(fā)展，F(xiàn)LAC3D等數(shù)值模擬軟件也越來越多地被應用到采場及巷道圍巖控制研究中，在求解采礦工程問題中得到成功且廣泛的應用。工作面煤層開采數(shù)值模擬力學示意圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模型計算力學模型示意圖

2.2 模擬結果與分析

由圖2 所示的6 號煤層開采后采場圍巖塑性區(qū)分布圖可知，上部3 號煤層開采后，6 號煤層工作面處于上部3 號煤層采空區(qū)下方的應力降低區(qū)，有利于該工作面回采巷道及采場頂板巖層控制。但由于2 層煤之間夾有厚且堅硬的粉砂巖層，因此，6 號煤層工作面可形成穩(wěn)定的基本頂巖層結構。6 號煤層所在深度的原巖應力約為7 MPa，3 號煤層采空區(qū)的垂直應力為1.97 MPa，6 號煤層頂板的垂直應力約為4 MPa，僅為原巖應力的57 %。6 號煤層底板的垂直應力約為5 MPa，為原巖應力的71%。

圖2 3 號煤層開采后采場圍巖垂直應力云圖

分析圖3 所示的6 號煤層開采后采場圍巖垂直應力俯視圖可知，6 號煤層未開采前處于3 號煤層采空區(qū)下方的應力降低區(qū)，煤層受到的垂直應力較小。但由于6 號煤層頂板粉砂巖層能夠形成穩(wěn)定的基本頂結構，6 號煤層工作面前方也存在超前支撐壓力影響，尤其是在工作面端部及回采巷道幫部受回采超前影響較大，該部位的垂直應力約為11 MPa，為原巖應力的1.57 倍。6 號煤層回采后，不僅其自身頂板巖層結構垮落失穩(wěn)，上方3 號煤層已垮落的頂板巖層結構也會進一步垮落，因此造成6 號煤層工作面采空區(qū)周圍出現(xiàn)較大的應力集中區(qū)，采空區(qū)周圍應力集中區(qū)的垂直應力峰值可達15.4 MPa，為原巖應力的2.2 倍。

圖3 6 號煤層開采后采場圍巖垂直應力俯視圖

3 沿空留巷方案設計

3.1 支護方案設計

1）掘巷期間支護設計。頂板采用“錨桿+鋼帶+鋼筋網(wǎng)+ 強力錨索”的聯(lián)合支護方式，錨桿直徑20 mm，長2 400 mm，每排7 根，間排距為900 mm×900 mm；錨索直徑21.8 mm，長度6 300 mm，每排3 根，間排距為1800 mm×1800 mm。兩幫采用“錨桿+托盤+菱形金屬網(wǎng)”支護方式護幫，兩幫錨桿直徑為20 mm，長度2 000 mm，非采幫選用螺紋鋼錨桿，每排4 根，間距排800 mm×900 mm，而采幫選用玻璃鋼錨桿，每排3 根，間排距1 000 mm×900 mm。

2）留巷期間支護設計。沿空留巷是在工作面原有巷道與采空區(qū)之間構筑巷旁墻體，將原有巷道維護好以便二次利用，由于受強烈采動影響，巷道圍巖變形速度快，圍巖變形量和破碎區(qū)大，為了確保留巷效果，加強頂板控制，減少下沉量，控制圍巖大變形以滿足巷道二次復用的要求，在掘巷期間一次支護的基礎上，回采前需進行留巷巷內(nèi)加強支護。

本方案設計在留巷頂板一次支護未施加錨索的2 排錨桿之間，施工1 根強力錨索加強支護（如圖4所示），從而可有效控制留巷頂板圍巖的完整性。加強錨索直徑為21.8 mm，長度為6 300 mm，每排1根，排距1 800 mm。

圖4 巷道支護平面圖

3.2 柔模混凝土留巷施工

在對比分析當前多種留巷方法的基礎上，本次設計選擇快速高效且性能優(yōu)良的堆噴混凝土工藝構筑沿空留巷巷旁墻體，實現(xiàn)6202 工作面無煤柱開采。

1）巷旁墻體施工位置選擇。沿空巷道構筑巷旁墻體施工的典型狀況是巷道表面平整且多為矩形斷面、已施工錨網(wǎng)索支護、一側靠近實體煤或采空區(qū)、底板淺部巖層松軟（如底煤、泥巖等），對應采取的高效堆噴快速構筑混凝土墻的施工技術方法為：施工巷旁墻體位置可以選擇在超前工作面貼近實體煤幫，也可以選擇在工作面支架后方靠近采空區(qū)位置。墻體上方在巷道掘出后已施工錨網(wǎng)索支護，目的是使原有支護的頂板錨桿索外露端頭及鋼帶、鋼筋梯子梁進入堆噴形成的混凝土墻體內(nèi)，增加墻體的穩(wěn)定性及巷道圍巖的整體性[5-6]。

根據(jù)6202 工作面的工程技術條件，巷旁墻體厚度設計為1.5 m，沿巷道寬和高全斷面堆噴施工成形。當超前工作面貼近實體煤幫構筑巷旁墻體時，為了不影響工作面通風，先超前工作面按照間距2 m，間隔構筑長×寬×高=2 m×1.5 m×3 m 的墻體（支撐柱），在工作面支架后方及時二次堆噴混凝土補齊墻體。當在工作面支架后方靠近采空區(qū)位置構筑巷旁墻體時，可一次連續(xù)堆噴成墻。

2）清理巷道底板。施工墻體位置確定后，當巷道底板為煤層、泥巖等軟巖時，必須清理墻體位置的底板軟巖浮渣，使墻體落在實底上，保證墻體的整體穩(wěn)定性。

3）采空側臨時擋板設置。當選擇在超前工作面位置貼近實體煤施工墻體時，可不設置零時擋板。當選擇在工作面端頭支架后方靠近采空區(qū)施工墻體時，為了使靠近采空側的墻體成形規(guī)整，因地制宜利用井下廢棄木柱、木板、風筒布、廢舊皮帶等材料，在靠近采空側沿巷道全斷面設置一個簡易的臨時擋板，該臨時擋板在堆噴施工巷旁墻體過程中發(fā)揮阻擋作用，目的是使靠近采空側的巷旁墻體成形規(guī)整。

4）堆噴材料現(xiàn)場準備。臨時擋板設置好、堆噴施工巷旁墻體前，現(xiàn)場確保堆噴所需設備和材料準備到位且充足。

5）堆噴施工巷旁墻體。

上述準備工作完成后，開始堆噴施工巷旁墻體。

4 應用效果分析

4.1 巷道圍巖位移變形監(jiān)測

采用十字點觀測法對沿空留巷巷道圍巖變形量進行觀測，巷道內(nèi)布置7 個頂?shù)装逦灰朴^測儀，分別位于留巷段迎頭 30、60、100、150、290、360、430 m。以迎頭290 m 處觀測點為例，該點巷道圍巖變形量見圖5，頂?shù)装遄畲笠平?73 mm，兩幫變形量最大為140 mm，變形量隨時間的推移逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 巷道圍巖變形量

4.2 經(jīng)濟效益

6202 工作面煤體容重為1.4 t /m3，護巷煤柱按20 m 計算，則每米沿空留巷可多回收的煤炭資源為50.4 t。根據(jù)目前的煤炭市場價格，6 號煤的利潤約為200 元/t，則實施沿空留巷多回收煤炭資源帶來的經(jīng)濟效益為10 080 元/m。

5 結 語

根據(jù)祥升煤礦6 號煤層工作面回采圍巖運動模擬結果，采用柔模混凝土沿空留巷技術，設計了合理的支護方案，經(jīng)現(xiàn)場工業(yè)性試驗與圍巖觀測，巷道圍巖變形較小，回收了區(qū)段護巷煤柱，為礦井帶來較好的經(jīng)濟效益。