綜采工作面沿空留巷支護技術研究應用

馮濤

山西汾西礦業(yè)集團正新煤焦有限責任公司 山西 沁源 046500

在井工煤礦生產(chǎn)過程中，合理的采煤技術應用不僅能夠減少井下煤炭資源的損失，還能有效提升綜采工作面的回采率，尤其是在一些容易發(fā)生煤層自燃的礦井中，沿空留巷技術的應用，能夠進一步改善礦井的生產(chǎn)條件和勞動強度，促進礦井煤炭資源才采出率的提高，為煤礦安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益的提升創(chuàng)造了良好的條件。

1 沿空留巷頂板巖層運動特點

回采工作面推過后，頂板活動可劃分為三個時期，即前期活動、過渡期活動和后期活動。

工作面回采過后，支架前移，工作面支架后方的頂板失去支架的支撐，直接頂在自身重力及支護體產(chǎn)生的切頂阻力以及老頂下沉的帶動下，多方力量共同作用，旋轉(zhuǎn)變形，沿著支護體邊緣發(fā)生斷裂，斷裂后呈倒懸臂梁狀態(tài)。這一時期的留巷頂板的活動為前期活動。

當直接頂垮落后能充滿采空區(qū)時，老頂巖層折斷垮落，在平衡過程中老頂可形成砌體結構。當直接頂巖層垮落后不足以充滿采空區(qū)時，上位部分老頂巖層也將撓曲斷裂冒落，充填采空區(qū)，直至達到充滿采空區(qū)的層位后其上部老頂巖層方可形成砌體結構。隨老頂巖塊的旋轉(zhuǎn)，老頂巖塊在下部冒落碎矸石的支撐下形成的“三角塊結構”逐漸穩(wěn)定，從而使沿空巷道一定范圍內(nèi)的應力小于原巖應力，該階段的頂板運動稱為頂板過渡活動期。

其變形仍以旋轉(zhuǎn)變形為主，變形速度快，變形量大。隨著矸石的逐漸壓實，形成穩(wěn)定“三角塊結構”的上位巖層也將折斷、變形下沉，使煤壁乃至直接頂產(chǎn)生損傷，支承壓力影響范圍加大，峰值進一步內(nèi)移，留巷上方頂板產(chǎn)生平移下沉，由于受老頂分層垮落的影響，巷道頂板下沉呈現(xiàn)波動性。此階段頂板活動稱為頂板后期活動期。頂板運動特征以旋轉(zhuǎn)下沉為主，但下沉速度較小。

2 綜采工作面頂板管理現(xiàn)狀

2.1 煤層埋深大

礦井煤層埋藏較深，其中三采區(qū)埋深達668-880m。隨著開采深度的不斷增加，進入三采區(qū)深部高應力區(qū)域后，地質(zhì)構造變得復雜、圍巖動壓顯現(xiàn)普遍強烈。在深部原巖應力、開采復雜地質(zhì)構造帶形成的構造應力以及工作面回采時的采動應力疊加作用下，呈現(xiàn)顯著的高應力圍巖大變形特征，并回采過程中伴隨動力擾動型沖擊破壞特征，對深部高地應力工作面的安全高效開采造成了巨大威脅。

2.2 長距離沿空留巷變形周期長

礦井回采工作面走向長度大，順槽長達1500-2000m，沿空留巷服務時間為3-5年。多采用高水充填沿空留巷方式，能較好的隔斷采空區(qū)的漏風，避免采空區(qū)遺煤自燃。

2.3 上下煤層間距小易導通上部采空區(qū)

礦井主采2#、4+5#煤層，層間距僅為3m左右。一采區(qū)4+5#煤層開采時，因工作面布置在2#煤層采空區(qū)下為復合頂板，極易與采空區(qū)導通。

3 沿空留巷技術優(yōu)勢

（1）“兩進一回”通風方式通過聯(lián)巷排放瓦斯，采空區(qū)通風，不但造成采空區(qū)瓦斯大量涌出，且不符合《煤礦安全規(guī)程》有關規(guī)定。沿空留巷技術將工作面U型通風或者U+L型通風調(diào)整為Y型通風，有效解決工作面上隅角瓦斯積聚問題，使得工作面的安全程度得到了大幅度的提升。

（2）U型通風工作面布置時是一面兩巷，工作面與工作面之間需要留設煤柱；U+L型通風工作面布置時是一面三巷，尾巷與工作面巷道之間也需要留設煤柱以及橫貫，留設煤柱較多，而且工作面布置周期長，嚴重制約了礦井采掘銜接，同時巷道重新維護、擴幫、起底，工程量及周期不亞于重新掘進一條巷道，沿空留巷技術可以實現(xiàn)工作面無煤柱開采，提高煤炭回收率，同時降低巷道維護成本。

（3）解決礦井生產(chǎn)銜接緊張問題。傳統(tǒng)“兩進一回”通風方式，要投入大量時間去準備新的采煤工作面。采用沿空留巷工藝，一巷兩用降低巷道準備工程量，緩解接替緊張降低工程費用，同時解決了“一面三巷”布置中瓦斯抽采巷地應力大維護困難的難題；掘進工程量大量減少，有利于工作面提前構成，為瓦斯預抽提供充足的時間和空間，可從根本上解決采、掘、抽銜接緊張問題，使礦井采、掘、抽工程銜接步入良性循環(huán)軌道。

（4）沿空留巷技術應用后，工作面通風方式調(diào)整為Y型通風，很大程度減少了風排瓦斯量，緩解了礦井通風系統(tǒng)壓力，同時對抽采系統(tǒng)也提供了有利的條件，通過優(yōu)化抽采鉆孔布置，極大程度提高了抽采量，進一步提升了礦井抽采系統(tǒng)的能力。

4 沿空留巷技術

4.1 機械立模沿空留巷

該技術選用的充填材料為膏體混凝土，其主要成份是：硅酸鹽水泥、碎石、砂子、粉煤灰和添加劑，該材料為免振自密實。該技術的實施工序包括：

（1）拉架、支護、平整底板

工作面推進時，提前在支架前方頂板上鋪設鋪鋼塑復合網(wǎng)（2.5×1.5m）并進行聯(lián)網(wǎng)，同時配合錨桿、鋼帶進行聯(lián)合支護，保證工作面截割后充填區(qū)域頂板完成及平整。

工作面截割步距為0.8m，因此工作面每截割4次，充填一次，如果遇到工作面頂板破碎時，縮小步距，截割1-2個步距后充填一次，充填時，將充填箱頂、底板進行平整，并將支架周圍雜物清理，確保充填在堅硬底板上。

（2）機械立模

該技術采用箱式沿空留巷模板支架，ZZTM2×10300/17.5/30H型沿空留巷模架，模板支架通過支架前移拉移。充填前，清理充填箱內(nèi)浮煤、浮矸等雜物，架設好充填管路。充填箱體內(nèi)架設鋼筋，并將預埋的瓦斯抽采管路按照抽采要求架設好，同時在充填箱四周粘貼彩條布，方便后期充填體凝固后，模板支架脫模，也能避免充填漿料泄露。

（3）充填材料的運輸、儲運及上料方式

充填所需材料有井下通過礦車運輸至充填泵站，在經(jīng)過人工上料，將充填料按照要求的水灰比進行配比，輸送到混凝土泵，通過充填管路輸送至充填箱體內(nèi)，每個充填步距為3.2m。

（4）充填

充填工序如下：首先打開靜壓水管閥門，按照水灰比要求確定水的流量，開啟混凝土泵，泵送靜壓水，確定管路暢通后，泵送細料（水泥、粉煤灰含量高，細沙、石子含量低），接著為粗料（石子含量正常）充填，充填箱體上不500mm高度全部進行細料充填，充填完成后，泵送清水清洗管路。充填過程中要時刻關注泵的工作狀況、充填料泵送的均勻程度以及充填料的平流堆積狀況，同時確保充填體要充分接頂，防止采空區(qū)漏風。

充填過程中，堵管事故常有發(fā)生，一旦發(fā)生堵管后必須立即處理，分段拆開充填管路，快速判斷堵管位置，泵送靜壓水沖洗管道中漿料，防止充填料在管路中凝固，提升處理難度。管路沖洗必須在最短時間內(nèi)完成，從而最大程度減小對生產(chǎn)的影響時間。

（5）充填墻體凝固

為了進一步提升充填墻體的質(zhì)量，以達到規(guī)定的要求，充填時要確保每個充填體都支設在堅硬的底板上，同時確保充填體與頂板充分接觸，由于充填材料最少需要4小時凝固，因此，充填完成后，要保證不少于4小時的凝固時間，待充填體凝固后方可移動或者調(diào)整充填箱體

該技術的解決了工作面上隅角瓦斯超限的難題，且充填墻體阻力高、安全性好、施工速度快，留巷巷道變形量小，巷道斷面滿足生產(chǎn)需求；但是存在一下問題：一是充填箱容易瓦斯積聚，且充填箱跟隨溜子前竄后縮，充填寬度不固定，二是留巷充填材料使用量大，勞動強度高，運輸量大。

4.2 柔模支護沿空留巷

為解決機械立模沿空留巷中存在的問題，采用柔模支護沿空留巷。

該技術是將箱式沿空留巷模板支架改為柔性模板支護，充填材料不變還是使用膏體混凝土。在工作面推進過后，緊跟著在工作面端頭支護出采用單體支柱配合棚板、柱帽等材料支撐頂板，并用錨桿、點柱等將柔性模板進行固定，泵送膏體混凝土至工作面沿空留巷柔模袋中，膏體混凝土凝固形成充填墻體。

柔模支護沿空留巷解決了機械立模沿空留巷中充填巷容易積聚瓦斯及隨支架溜子移動不受控制的問題，但也存在留巷所需充填材料使用量大，增加了人工立模、拆模工序，勞動強度大。

4.3 高水速凝充填材料沿空留巷

該技術主要包括三部分：甲乙兩種材料分別制漿，漿液輸送和充填成型。

（1）制漿系統(tǒng)。使用甲，乙兩套專用的泥漿攪拌機分別配上加水加料設備，按照水灰比1∶1的比例對甲，乙兩種粉料進行分別攪拌，形成均勻的漿液（水灰比可以調(diào)整）。

（2）輸送系統(tǒng)：均勻的漿液分別使用甲，乙兩套泥漿泵和輸送管道等量送入混合器進行混合。

（3）合形成系統(tǒng)：甲，乙兩種漿液在混合器中經(jīng)過充分混合后，一起送注充填袋內(nèi)。

與一般的水泥類材料相比，高水速凝材料具有以下優(yōu)點；

（1）凝固速度快，高水材料的甲，乙兩種漿液混合后 5-30 分鐘以內(nèi)完全初凝。

（2）泵送性能好，甲，乙兩種材料的漿液混合前不凝固，不沉淀。

（3）充填體具有較高強度和良好的“恒阻”特性，無毒無害。

（4）兩種漿液混合后 10-30 分鐘完全初凝，30-90 分鐘完全終凝，120 分鐘抗壓強度≥3MPa，1d 抗壓強度 4-7MPa，7d 抗壓強度 7-10MPa（水灰比越大強度越低）。

（5）單位體積充填材料用量少，在水灰比1∶1的條件下，1m3充填體只需高水速凝材料540kg；（為采用混凝土充填材料用量的1/4）

（6）充填工藝系統(tǒng)操作簡單，勞動強度低，充填速度快；泵送不受輸送距離限制。

該技術雖然優(yōu)點較明顯，但是也存在以下缺點，一是充填墻體的支護強度不高，部分充填墻體收縮量較大，致使留巷變形大，巷道返修頻繁，導致巷道維護困難。

4.4 爆破切頂卸壓沿空留巷

該技術主要兩項關鍵技術：定向爆破預裂切頂技術和恒阻錨索控頂技術。

以往的沿空留巷技術僅僅是對充填墻體強度進行研究，該技術先是通過恒阻錨索控頂技術，即在留巷側(cè)施工恒阻錨索進行超前加強支護，待支護穩(wěn)定后再巷幫與頂板夾角處施工爆破孔并配合雙向特制聚能管進行定向切頂爆破。待工作面推進過后，在端頭支架后方利用單體支護配合鋼筋網(wǎng)片進行擋桿支護，拉架后垮落頂板形成巷幫。

該技術的應用，一是減少了材料成本，巷幫有垮落的頂板形成，減少了以往充填墻體的材料投入，但是在錨索支護、爆破等方面人工投入較多，但是整體核算生產(chǎn)成本降低；二是降低頂板管理難度，巷道底鼓量、頂板下沉量均有所減小，減少了巷道的維護量；三是提前施工的恒阻錨索加強支護和預裂爆破，均能在巷道超前進行，不影響工作面生產(chǎn)，而充填墻體沿空留巷需要工作面沒推進4m左右停止生產(chǎn)，在工作面端頭處進行頂板支護，之后進行充填作業(yè)，降低了工人勞動強度和勞動時間，提高了工作效率。

但是，該技術對于煤層容易自燃工作面，采空區(qū)漏風嚴重，采空區(qū)遺煤容易自燃引發(fā)火災，同時如果工作面溜子、支架出現(xiàn)上竄下滑現(xiàn)象，上竄導致?lián)蹴分егO在恒阻錨索下方，頂板來壓，點柱彎曲變形，支護失效；支架出現(xiàn)下滑現(xiàn)象，支架與原巷道支護有空隙，再因上部頂板已經(jīng)提前預裂爆破，給安全生產(chǎn)埋下隱患。

5 結論

通過對機械立模沿空留巷、柔模支護沿空留巷、高水速凝充填材料沿空留巷、爆破切頂卸壓沿空留巷四種沿空留巷的工藝、施工工序、解決的問題及存在的問題進行了分析，發(fā)現(xiàn)沿空留巷技術雖然在煤礦生產(chǎn)中具有一定的優(yōu)勢，但是在支護上還存在一定的問題，主要表現(xiàn)在：一是設計思路不合理。巷道掘進、工作面回采、留巷支護往往都是獨立設計，不能系統(tǒng)的全盤考慮；二是巷旁支護不能充分考慮巷道支護阻力和可縮性，對于巷道維護和采空區(qū)漏風等情況不能兼容到。

針對以上問題，一是要充分考慮到巷道要經(jīng)受掘進、兩次回采的強烈采動影響，從掘進前各項參數(shù)進行最優(yōu)設計，并對掘進期間、回采期間超前支護等進行全面、系統(tǒng)設計；二是綜合考慮巷道支護、瓦斯治理、通風管理等多方面因素，采用合適的最優(yōu)的沿空留巷方式，保證煤礦生產(chǎn)的安全順利進行。