浅谈沿空留巷技术在凤凰山煤矿的应用

2010-06-10张云健王帅帅

山西焦煤科技 2010年9期

张云健，王帅帅

(太原理工大学矿业学院、晋城煤业集团凤凰山煤矿)

晋城煤业集团凤凰山煤矿15307工作面顺槽长度1 400 m，工作面长度176 m，煤层平均倾角6°，煤层均厚2.2 m，为15#煤层。15#煤整体强度高，大部分集中在17～25 MPa之间，平均强度为22.25 MPa，煤层整体性和稳定性好。煤层直接顶板为K2石灰岩，平均厚度9.11 m，平均强度116.43 MPa，属坚硬不易冒落顶板。底板为泥岩或铝质泥岩，属软质岩层。工作面水文地质条件简单，充水源主要为上覆K2石灰岩层间裂隙水及上部小窑采空区积水下渗，预计最大涌水量为90.0 m3/h，正常涌水量为0～8 m3/h。

根据矿井瓦斯鉴定及邻近工作面瓦斯检测结果，预计工作面瓦斯相对涌出量为2.6 m3/min，属低瓦斯工作面。工作面二氧化碳相对涌出量为1 m3/min。煤尘无爆炸性，为Ⅱ级自燃煤层。

为了提高煤炭回收率、降低开掘率，同时也为了消除隅角瓦斯积聚或其他保护煤柱引起的井下灾害的发生，决定在15307工作面应用沿空留巷技术。

1 沿空留巷技术概述

沿空留巷是一种先进的护巷方法，是实现无煤柱开采的主要方法之一。无煤柱开采分为两种类型，一种是在上一区段回采完毕，采空区冒落严实，围岩活动相对稳定后，再沿采空区和煤体边缘掘进巷道，称为沿空掘巷。另一种是将已采工作面后方的回采巷道用一定的方法沿采空区保留下来，作为下一工作面的回采巷道，称为沿空留巷。

世界一些主要产煤国家为了达到少掘巷道、增加煤炭资源回收率、增加生产的连续性和提高矿井经济效益的目的，而采用往复式“Z”形开采，前进式和后退式的工作面沿空留巷方法以实现无煤柱开采。对沿空留巷的矿压显现、适用条件、合理支护形式及新型支护材料等都进行了研究。在这方面做得较多的是前苏联、德国、英国、波兰等国家。

20世纪80～90年代，在大力推行综合机械化采煤后，随着采高不断增大，我国煤矿工作者在引进、吸收国外的沿空留巷技术的基础上，发展了巷旁充填护巷技术，巷内多采用U型钢可缩性金属支架。20世纪90年代初期，沿空留巷理论与技术有了较大的发展，但由于巷内支护大多为被动支护，加之巷旁充填技术还不完善，其支护技术难以适应大断面沿空留巷的要求，在90年代中后期，沿空留巷技术应用范围又呈减少趋势。

21世纪以来，随着锚网索支护技术的推广应用和巷旁充填技术的不断完善，我国有些学者在厚煤层综放工作面进行了沿空留巷技术试验研究，如潞安矿务局常村煤矿S2-6综放工作面，巷内采用锚梁网索联合支护，巷旁支护运用高水材料充填加上空间锚栓加固网技术，进行综放大断面沿空留巷试验，并取得初步成功。

沿空留巷无煤柱煤与瓦斯共采技术是在采煤工作面回采推进的同时，沿采空区边缘人工构筑高强支撑体将回采巷道保留下来，形成沿空留巷巷道，作为治理采煤工作面卸压瓦斯的工作空间，并与采区巷道构成Y型通风巷道系统。可真正实现无煤柱开采，提高回采率，实现连续开采，实现无煤柱开采，无应力集中区,被保护层得以彻底保护。解决上隅角瓦斯超限问题。有利于缓解采掘接续紧张，适应工作面快速推进要求；改善目前沿空掘巷巷道变形量大、维护困难的被动局面，有利于工作面的高产高效，提高资源回收率，节约煤炭回采储量。

凤凰山煤矿15307工作面沿空留巷将通过混凝土输送泵泵送充填材料至工作面留巷处，留设充填体隔离采空区并与原巷内支护共同承载形成Y型通风巷道系统，其示意图见图1。

图1 通风巷道系统示意图

Y型通风适用条件：1) 采高原则上不得大于3.5 m。2) 净断面原则上不得小于8 m2，且风速不得超限。3) 巷道支护应优先选用锚杆支护，并备有留巷加固处理预案。4) 区漏风及防止自然发火应有监测监控措施，并编制防治漏风及自然发火方案。

2 沿空留巷设计和实施

1) Y型通风巷道布置。设计对15307工作面轨道巷进行沿空留巷，沿空留巷作为邻近15309工作面的轨道巷。

15307沿空留巷Y型通风工作面通风系统：采区进风巷→15307轨道巷及15307运输巷→15307工作面→15307轨道巷沿空留巷→15309边界切眼→采区回风巷。

15307沿空留巷Y型通风工作面的瓦斯治理措施：15307工作面相对涌出量为2.6 m3/min，属低瓦斯工作面，工作面瓦斯治理以Y型通风风排瓦斯为主。

留巷瓦斯治理措施的工作目标：Y型通风回风瓦斯浓度控制在0.8%以下，瓦斯抽采率达60%以上，消除隅角瓦斯积聚等瓦斯安全隐患，实现无煤柱连续开采。

2) 沿空留巷充填系统。沿空留巷是随着采煤工作面的推进而延伸，因此，采煤工作面和留巷的连续性，要求充填材料的输送必须不间断。

膏体混凝土充填材料输送至充填设备或储料场采用矿车或胶带机，充填泵上料通过400～600 mm小型胶带机或40 t刮板机或绞车，加水拌和后的膏体混凝土充填材料泵送至留巷模板内。

充填泵的初次布置位置应控制距工作面300 m的范围内。充填泵安装巷道高度不小于2.65 m。充填泵摆放要平整。临时料场必须具有防潮措施。充填工艺示意图见图2。

图2 充填工艺示意图

3) 沿空留巷工作面平面布置(见图3)。沿空留巷充填体位置位于15307工作面轨道巷。煤层直接顶板为石灰岩，厚度1.28～17.85 m，平均9.11 m，强度平均116.43 MPa，抗剪强度为3.70 MPa，属坚硬不易冒落顶板。底板为泥岩或铝质泥岩，属软质岩层。铝质泥岩底板单轴抗压强度为11.4 MPa，抗拉强度为0.76 MPa，抗剪强度为2.49 MPa，膨胀率为0.63%。遇水易膨胀变软。采用沿空留巷技术时要及时陷落留巷采空区侧的顶板，同时处理好留巷底板，确保Y型通风系统的可靠。

目前，巷道已开始施工，留巷前应通过矿压观测数据，相应地制定留巷巷道加固方案，以确保留巷在采动应力作用下的稳定。

图3 工作面充填系统布置图

沿空留巷支护体的工作阻力静载荷计算：

4) 充填体材料强度的选择与墙体宽度计算。留巷墙体充填材料的基本组分为水泥、粉煤灰、砂石骨料、复合外加剂和水，其主体原料均为来源广泛的地方材料，并利用煤矿电厂发电产生的粉煤灰。

经计算P值约为42 t/ m2，约0.42 MPa。考虑到老顶来压时下位岩层及充填体的动载系数为静载系数的2～6倍，即0.84～2.52 MPa。而根据充填体材料的强度试验，其最大承载极限可达到22 MPa以上，可完全满足承载要求。

根据充填材料的最大试验承载极限可达到 22 MPa，充填墙体宽度经工程类比(留巷墙体宽度与采高比1～1.5)及计算机模拟计算，可选择2.2～2.6 m可满足承载需要，本次工作面留巷底板为复合泥岩底板,设计充填墙宽2.4 m。

5) 留巷充填方式。15307工作面使用支架ZZ8000/17/32支撑掩护式液压支架，SGZ764/400型运输机，MG250/600-WD型采煤机；留巷采用ZMC13400/18/29沿空留巷模板支架，每3刀充填一次，一次充填长度1.8 m。

6) 留巷墙体顶板支护。为提高留巷的稳定性，留巷墙体顶板应进行相应支护，其支护方式同巷内锚杆支护技术参数。本次工作面留巷顶板为厚层K2石灰岩，矿压观测后可进行技术优化，采用与留巷同等支护强度进行加固。

7) 充填技术工艺及充填施工工艺。充填技术工艺过程为：由地面专门生产线按设计配比生产出干混充填材料，以袋装或专用集装箱散装运至井下泵站；用刮板输送机或皮带输送机将干混料送至充填泵料斗；在充填泵中加水搅拌均匀后经充填管路泵送至充填模内；充填料浆在充填模内自流平密实，自然养护，待硬化产生一定强度后拆模。充填技术工艺流程见图4。

充填施工工艺流程为：

图4 充填工艺示意图

材料运输、移架、架后支护、清理→机械立模→搅拌输送→充填→清洗泵、管路。见图5。

3 沿空留巷效益

1) 直接效益。沿空留巷可以实现无煤柱开采，少留煤柱 10 m , 按 500元/ t 利税计算 , 可增加利税 2 000 m×10 m×1.5 m×1.4 t / m3×500元/ t = 2 100万元;每米节省巷道掘进费用3 000 元, 共节省掘进费用 840万元;沿空留巷成本2 000 元/m,总共费用560万元;沿空留巷创直接效益2 380万元, 每米创效8 500元。