沿空留巷技術(shù)在綜采工作面的應(yīng)用

史俊偉

（山西介休義棠倡源煤業(yè)有限公司， 山西 晉中 032000）

沿空留巷是指采煤工作面回采后沿采空區(qū)邊緣維護(hù)原回采巷道，為了回收留設(shè)的保護(hù)煤柱而采用一定的技術(shù)手段將上一區(qū)段的順槽重新支護(hù)留給下一個(gè)區(qū)段使用，做法是沿著采空區(qū)邊緣在原順槽位置保留，有助于提高煤炭回收率和減小掘進(jìn)工作量，通過(guò)支護(hù)可以避免有毒有害氣體進(jìn)入，減少巷道進(jìn)水，另外不僅保護(hù)巷道，同時(shí)還能降低發(fā)生巷道變形量的現(xiàn)象，有力地防止自然災(zāi)害對(duì)巷道的破壞作用。

1 綜采過(guò)程中沿空留巷的技術(shù)概述

對(duì)于巷道設(shè)置，早期主要采用留設(shè)煤柱法，其實(shí)用性和可靠性比較高，但是隨著采煤技術(shù)的發(fā)展，煤層貯存條件的復(fù)雜程度的升高，也出現(xiàn)了許多問(wèn)題，留設(shè)煤柱法對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)性較差，不易調(diào)節(jié)，不利于安全生產(chǎn)的管理和作業(yè)人員的安全，所以在工作面巷道布置的初期時(shí)刻，尤其是初次來(lái)壓時(shí)，一定要對(duì)礦壓、開(kāi)采方案、開(kāi)采效率、安全性等相關(guān)技術(shù)不斷的進(jìn)行研究，促使其對(duì)安全生產(chǎn)進(jìn)行服務(wù)。而如何更好地利用沿空留巷的技術(shù)去對(duì)巷道進(jìn)一步進(jìn)行有效地維護(hù)，同時(shí)還要提高一定的綜合治理能力的問(wèn)題，采空區(qū)支護(hù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，在經(jīng)過(guò)實(shí)踐與理論的高度結(jié)合并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行改進(jìn)完善之后，從最初的水泥堆砌的磚石，到用密集的支柱和金屬網(wǎng)棚，再經(jīng)發(fā)展之后的用高分子水材料進(jìn)行填剁式的充實(shí)，通過(guò)在高、低抽巷上使用傾向鉆孔來(lái)進(jìn)行替代，實(shí)現(xiàn)了真正的無(wú)煤柱開(kāi)采，這樣對(duì)煤炭資源的回采和煤炭的連續(xù)開(kāi)采有較大的推進(jìn)作用，同時(shí)也是為了實(shí)現(xiàn)安全高效的生產(chǎn)，徹底解決對(duì)上下隅角瓦斯超限的問(wèn)題。

2 綜采工作面沿空留巷技術(shù)中存在的問(wèn)題及分析

在實(shí)際的綜采工作面組織生產(chǎn)過(guò)程中，沿空留巷技術(shù)在其中要有更好的應(yīng)用，其核心關(guān)鍵是要把礦壓的問(wèn)題徹底解決，在組織生產(chǎn)過(guò)程中，綜采工作面實(shí)際顯示的礦壓以及沿空巷道的礦壓數(shù)值，是綜采工作面支護(hù)方式選擇的依據(jù)。其中沿空留巷的礦壓一般是來(lái)源于工作面上部的頂板壓力，所以支護(hù)的頂板是支護(hù)的重點(diǎn)所在，要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行支護(hù)形式的選擇和支護(hù)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，要想實(shí)現(xiàn)合理有效，就必須要分析巷道頂板上的礦壓，并循求礦壓的顯示規(guī)律，比如巷道的頂板需要承受的礦壓比較大，首先要承受巷道上部巖石自重帶來(lái)的壓力；其次還要承受工作面煤層開(kāi)采過(guò)程中超前支承的壓力。沿空巷道的礦壓與其他巷道的礦壓有很大不同，有自己的特點(diǎn)，比如在綜采工作面靠近沿空留巷時(shí)，巷道礦壓表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，有明顯增加的趨勢(shì)，但是在遠(yuǎn)離工作面時(shí)，沿空留巷又表現(xiàn)為急劇的降低和穩(wěn)定，總之沿空留巷的礦壓其實(shí)是時(shí)間和空間上的函數(shù)變化，要想沿空留巷技術(shù)有效應(yīng)用，就必須采用合理有效的方法對(duì)巷道進(jìn)行安全防護(hù)和支護(hù)。

3 綜采工作面沿空留巷的技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 目前沿空留巷多采用的支護(hù)方式

最初的綜采工作沿空留巷采用的多是密集支架支護(hù)，矸石堆垛支護(hù)和砌體墻支護(hù)的方式，但是均已經(jīng)逐步淘汰，因?yàn)橹ёo(hù)質(zhì)量和支護(hù)效率不高，并且支護(hù)強(qiáng)度也不夠，容易造成垮棚和冒頂，支護(hù)材料消耗也比較大，另外支護(hù)效果不好。其中矸石垛充填和砌體墻支護(hù)的具體比較見(jiàn)表1。

表1 沿空留巷的支護(hù)方式比較

其中，其他方式的巷道支護(hù)技術(shù)包括混凝土隔墻支護(hù)技術(shù)、筒柱支護(hù)技術(shù)和膏體充填支護(hù)技術(shù)。這些技術(shù)應(yīng)用于采空區(qū)圍護(hù)施工非常方便，施工效率很高，支護(hù)強(qiáng)度可以得到保證，但仍存在支護(hù)成本高的問(wèn)題，亟待解決。

3.2 綜采工作面頂板運(yùn)動(dòng)對(duì)沿空留巷的影響

上覆頂板的運(yùn)動(dòng)過(guò)程控制著下部留巷工程，是影響沿空留巷圍巖穩(wěn)定的根本誘因。隨著直接頂厚度的降低，基本頂破斷位置不斷靠近充填體，充填體破壞程度依次增加?；卷敾剞D(zhuǎn)角、頂板垮落角隨直接頂厚度減小而增大，基本頂回轉(zhuǎn)角、頂板垮落角越大，對(duì)留巷圍巖破壞越嚴(yán)重。因此調(diào)控頂板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是優(yōu)化留巷區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)，維護(hù)留巷穩(wěn)定的治本之策（見(jiàn)表2）。

表2 工作面頂板后期垮落特征表

在工作面煤層上方10 m 的應(yīng)力分布，一般側(cè)向應(yīng)力分布存在“雙峰應(yīng)力”，即側(cè)向支承應(yīng)力和墻體上集中應(yīng)力。其中側(cè)向支承應(yīng)力對(duì)工作面的影響是直接頂越薄，應(yīng)力集中系數(shù)越大，老頂直覆時(shí)最大；墻上集中應(yīng)力也是同樣如此，這就說(shuō)明了老頂?shù)氖┹d效應(yīng)隨著直接頂?shù)臏p小而增強(qiáng)。在工作面煤層上方20 m 的應(yīng)力分布特點(diǎn)則是側(cè)向應(yīng)力為“單峰應(yīng)力”，墻上無(wú)集中應(yīng)力，支撐體不能控制高位巖層，同時(shí)側(cè)重向支承應(yīng)力是直接頂越薄，峰值越靠近留巷，對(duì)巷道的影響則越大。由此可以得知，無(wú)論頂板條件如何，綜采工作面的開(kāi)采均會(huì)造成留巷周?chē)С袘?yīng)力升高，隨著綜采工作面的推進(jìn)，采動(dòng)應(yīng)力不斷調(diào)整，會(huì)加快圍巖的破壞速度，在采動(dòng)應(yīng)力調(diào)整階段，支承應(yīng)力集中系數(shù)隨直接頂厚度的減小而增大，支承應(yīng)力極值位置隨直接頂厚度的減小而遠(yuǎn)離工作面，故此要減緩支承應(yīng)力集中程度是控制沿空留巷圍巖變形的技術(shù)核心。

4 綜采工作面沿空留巷技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用及效果分析

以筆者所在綜采工作面為例進(jìn)行沿空留巷設(shè)計(jì)的優(yōu)化。首先進(jìn)行沿空留巷的設(shè)計(jì)，具體工藝流程如下圖1 所示。

圖1 沿空留巷設(shè)計(jì)工藝流程圖

根據(jù)工作面的自然條件來(lái)合理選用沿空留巷技術(shù)，在采用巷道保護(hù)技術(shù)對(duì)其相鄰層內(nèi)的瓦斯進(jìn)行抽采降壓后，可在井下抽采的時(shí)候?qū)ぷ髅嫔喜煽諈^(qū)消除瓦斯安全隱患，以能夠進(jìn)行創(chuàng)造一個(gè)安全高效的開(kāi)采條件。在既有工作面巷道旁支護(hù)時(shí)，需要準(zhǔn)確選擇和合理計(jì)算強(qiáng)度合適的充填材料。如圖2 所示，其中充填材料選用混凝土膏體材料，巷道煤側(cè)至頂切線(xiàn)懸空頂板寬度為預(yù)留巷道充填體寬度的1.2 倍。當(dāng)主頂板承壓時(shí)，應(yīng)充分考慮下一層和回填的動(dòng)荷載系數(shù)。另外，回填材料的強(qiáng)度必須滿(mǎn)足承載要求，在開(kāi)采支護(hù)應(yīng)力的作用下，一般可以采用一些收縮性較強(qiáng)的回填物來(lái)選擇回填物進(jìn)行巷道支護(hù)，從而更好地避免巷道變形和壓縮，對(duì)巷道維護(hù)也具有重要意義。

圖2 沿空留巷旁墻體位置圖

同時(shí)，在巷道下側(cè)設(shè)置密集的木樁，立樁后再堆放沙袋或煤袋；也可以將廢石破碎后裝入專(zhuān)用塑料袋中，將裝滿(mǎn)廢石的塑料袋堆放在巷道下側(cè)，使廢石塑料袋相互壓緊進(jìn)行基礎(chǔ)和頂板連接。采煤工作面采用的核心作業(yè)是隨著工作面的推進(jìn)，將矸石墻堆放在寬度為1.5 m 的巷道下側(cè)，具體操作方法是在巷道下側(cè)設(shè)置兩排行距為1.0 m×1.5 m 的圓木點(diǎn)柱，圓木點(diǎn)柱必須鋪設(shè)在硬底上并緊固牢固，使其規(guī)整牢固，然后釘上30 mm 厚的發(fā)冠板。巷道一側(cè)的預(yù)留空間呈線(xiàn)形，使預(yù)留巷道能夠正常使用。最后，將預(yù)留巷道空間與矸石形成線(xiàn)性形狀，使預(yù)留巷道能夠正常使用。最后，用矸石拱起預(yù)留巷道空間。工作面每三到五個(gè)周期拱一次，在拱起時(shí)，將豎立的支架與矸石墻之間的單體逐漸去除，同時(shí)填充矸石和水泥砂漿，每次堆砌一層矸石時(shí)填充一層水泥砂漿，直到砌碹體接至頂板。

經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，采場(chǎng)與采場(chǎng)具有相似的邊界條件、應(yīng)力特征等共性。因此，地壓產(chǎn)生的機(jī)理是相似的。通過(guò)此次沿空留巷的技術(shù)優(yōu)化后，工作面的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類(lèi)技術(shù)指標(biāo)，具體參見(jiàn)下頁(yè)表3。

另外，采空區(qū)留巷與工作面采場(chǎng)有不同的采空區(qū)邊界，留巷為固定邊界，采場(chǎng)為移動(dòng)邊界，其巖層活動(dòng)和巖層行為有一定的相似性和特殊性。與工作面連續(xù)推進(jìn), 在低端的工作面, 板固定在直角的角落, 導(dǎo)致“角”效應(yīng),使得該地區(qū)弧形失敗,形成“弧形三角形板”“弧三角”的穩(wěn)定性有很大的影響。巷道的性能和早期支護(hù)參數(shù)也應(yīng)采用圓弧三角形結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。在設(shè)計(jì)沿空留巷支護(hù)阻力時(shí)，一般考慮極限狀態(tài)，即取頂板達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的截面作為截面，得到彈性地基梁模型。在采空區(qū)保留期間，綜采工作面后方變形大多具有明顯的分區(qū)性，可分為嚴(yán)重變形區(qū)（-10～50 m）和中度變形區(qū)（-50～80 m）。重度變形區(qū)巷道兩側(cè)最大變形速度約為35 m/d，中度變形區(qū)巷道兩側(cè)最大變形速度約為15 mm/d。根據(jù)礦壓實(shí)測(cè)結(jié)果，空邊支護(hù)巷道頂板和底板平均變形為680 mm，兩幫平均變形約為500 mm。頂板和底板變形的現(xiàn)場(chǎng)分析表明，頂板和底板變形主要為底鼓變形，平均底鼓變形在500 mm 左右。在采空區(qū)留巷應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)工作面前方50～80 m 范圍內(nèi)頂板和底板的變形速度相對(duì)較小，平均變形速度僅為5 mm/d。在工作面前方50 m 范圍內(nèi)，巷道變形速度逐漸增強(qiáng)，在工作面前方10 m 范圍內(nèi)，巷道變形速度急劇增加，達(dá)到30 mm/d 左右。通過(guò)礦壓觀測(cè)，可以看出采空區(qū)留巷技術(shù)作用非常明顯，變形量明顯減小，巷道無(wú)大的變化。

5 結(jié)論

在引入了沿空留巷技術(shù)后,合理精準(zhǔn)設(shè)計(jì)支護(hù)形式，可大大提升了煤炭的回收利用效率，減少了掘進(jìn)施工量，同時(shí)就地取材，將矸石資源得到充分合理的利用,同時(shí)還能減少對(duì)周?chē)h(huán)境的污染，在綜采工作面的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益上產(chǎn)生巨大的收益，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)較好的安全效益，為發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的動(dòng)力和基礎(chǔ)，所以說(shuō)沿空留巷的技術(shù)在綜采工作面的成功應(yīng)用，不僅僅可以使礦井煤炭的回采率得到有效提升，同時(shí)也會(huì)有效降低巷道的掘進(jìn)工程量，大幅度地減少綜采工作面的接替時(shí)間，為礦井激發(fā)潛在的價(jià)值，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。