浅析沿空留巷技术

2014-03-26孙学军

吉林地质 2014年2期

孙学军

长春市新立城煤矿，吉林长春130122

鄂尔多斯闫家渠煤矿隶属鄂尔多斯市伊金霍洛旗。矿井可采储量1 835万吨，含可采煤层四层，由上至下分别为Ⅲ—2、Ⅳ—2、Ⅴ—2、Ⅵ—1煤层，其中唯有 Ⅳ—2煤层是较为理想的可采煤层，本设计的1404工作面即为Ⅳ—2煤层内工作面。该矿井设计能力60万吨/年，采用两进一回通风方式，其中两进风井主斜井和辅运斜井采用斜井运输兼入风，风井采用立井回风。工作面采用一个综采回采，一个综掘准备的一采一掘方式。该矿井已于2008年通过验收，现为生产矿井。该井田位于东胜井田，东胜煤田大地构造位于华北地台和鄂尔多斯台向斜东胜隆起区之东北部，地层倾向南西，倾角一般1°～3°，无较大的断裂构造和褶皱、岩浆岩侵入，局部有平缓的波状起伏，总体构造形态为向南西倾斜的单斜构造，区域地质构造简单。

1 工作面概况

1404采煤工作面走向长1 600m ，倾斜宽150m ，煤层均厚2.0m ，煤层煤质坚硬。工作面采用单一走向长壁式综采机械化采煤方法，全部垮落法管理顶板，采高2.0m 。

直接顶以粉砂岩为主，厚3.2～8.6m ，局部为砂质泥岩；老顶为粉细砂岩互层，厚5.3～18.6m ；直接底为砂质泥岩及粉细砂岩互层，水平层理发育。煤层无突出危险，但具爆炸危险性，爆炸指数37%～40%，具自燃发火性，自燃发火期3～6个月。

闫家渠煤矿在1404采煤工作面上风巷采用沿空留巷技术，保证沿空留巷后的巷道满足工作面需要，提高煤炭回收率，缓解了采掘接续紧张的矛盾，改善了井下作业的条件。

在工作面回采过程中，1404上风巷靠辅运大巷侧区段（自采煤面煤壁线与辅运大巷之间）和下顺槽两巷进风，1404上风巷靠切眼侧区段（自采煤面煤壁线与切眼之间）与上一阶段1405工作面的切眼及1405上风巷作为回风巷。当1404工作面回采结束后，1404上风巷留作为上一阶段1405工作面的下顺槽。该上顺槽即作为1404工作面的上顺槽，又要在工作面回采过程中及回采后保留住作为1405工作面的下顺槽。为了保证沿空留巷的安全及使用，需要对已掘进完成的1404上风巷进行加强支护，即是加强的锚杆和锚索联合加强支护。巷道布置见图1。

图1 工作面巷道布置图Fig.1 Arrangement diagram of working face tunnel

2 巷道支护情况

1404工作面上风巷全长1 600m ，巷道沿4-2号煤底板掘进，巷道断面为矩形：巷宽3.8m ，巷高2.4m ，巷道断面积9.12m2，采用锚梁网支护。顶板支护：锚索+锚杆+12#槽钢梁+金属网。巷道断面内共布置2根锚索、3根锚杆。锚索规格ф15.24mm×6 300mm，锚杆规格ф20mm×2 000mm，锚杆、锚索间排距800mm×900mm。

巷帮支护：锚杆+锚条+钢筋网。上、下帮各布置4根锚杆，锚杆规格ф20mm×2 000mm，锚杆间排距，上帮700mm×900mm ，下帮700mm×900mm（见图2）。

巷旁充填：在工作面回采中，在巷道靠工作面一侧建造走向充填带，对巷道进行充填，并利用充填墙对巷道顶板进行支护。充填的高度要求直接接顶，宽2.0m。同时充填带用风筒布将巷道与采空区进行隔离封闭，防止向采空区漏风。

图2 1404上风巷锚梁网支护设计图Fig.2 Design chart of support with anchor beam net of 1404 air return roadway

3 沿空留巷的顶板支护分析

3.1 巷道直接顶厚度变化造成顶板可能发生离层断裂的高度不确定

煤层直接顶以粉砂岩为主，厚3.2～8.6m ，局部为砂质泥岩。当巷道直接顶在3～7m 之间变化时，顶板可能发生离层断裂的高度也可能变化在3～5m 之间。因为根据闫家渠煤矿实际冒落高度，本巷道最大冒落高度为5m 左右，因此在进行支护设计时，必须以巷道可能的最大冒落高度为依据，使支护可以控制这一高度内的顶板冒落。

3.2 锚杆、锚索支护难以控制沿空留巷顶板沉降

实体煤巷道的变形是由于巷道围岩内的应力作用所产生的，而能够作用于巷道的应力范围是有限的，或者说是一个很小的范围；而沿空留巷的变形是由于整个采场（相邻采空区）覆岩的运动所引起的，是大范围内岩层的运动所引起的。沿空留巷时，相当于将原来的采空区边界向实体煤方向推进，扩大了采空区范围，因而打破了原采空区边缘顶板岩层内的应力平衡和稳定状态，使留巷和整个采空区一样，其顶板将与覆岩一起产生整体下沉和倾斜移动。即使在回采时对巷旁进行充填，但在覆岩运动所产生的巨大的顶板压力下，这些充填体难以阻止顶板的下沉和移动。锚杆和锚索支护只能控制巷道顶板有限高度内或很小范围内的变形，不能、也不可能控制整个采场覆岩的运动，因此也就不可能控制沿空巷道顶板的下沉和移动。不论采用何种锚杆和锚索支护技术，顶板岩层还是会按照固有的运动规律运动，并压迫巷道产生变形。或者说，巷道的最终变形与采用何种锚杆或锚索支护技术无关。

3.3 可能存在的安全威胁

⑴顶板垮冒的可能性：对于采用锚梁网支护的沿空留巷，最大的安全威胁来自于巷道顶板的垮冒，当巷道顶板沿巷道的采空区侧断裂后，巷道空间内的顶板成为悬伸的无支护的悬臂顶板。在顶板压力作用下，其内应力达到或大于其极限破坏强度时，顶板则有可能在实体煤侧上方发生断裂，进而发生顶板垮落。当其断裂的高度大于锚索的支护高度时，或者断裂后的顶板岩层重量大于锚索的支护力时，顶板的断裂、垮落就有可能会发生。

⑵顶板碎裂的可能性。锚索、锚杆对于巷道顶板的支护，其条件是锚索、锚杆的内锚岩层必须是稳定的、完整的。由于沿空留巷要承受两次采煤面超前支承压力的剧烈作用，巷道顶板，特别是巷道的直接顶板容易发生离层和破碎。一旦顶板发生离层破碎的高度达到锚杆、锚索的内锚处时，锚杆、锚索的内锚就会产生松动，造成锚杆、锚索的锚固强度降低或失败，从而危及巷道的安全。

⑶沿空留巷顶板的断裂分析。1404沿空留巷顶板沿倾向的断裂，可以分为4种情况：①顶板在1404采煤面回采期间发生第一次断裂，但在1405采煤面回采时没有发生断裂，顶板只发生一次断裂②顶板在1404采煤面回采期间没有发生断裂，但在1405采煤面回采时发生第一次断裂③顶板在1404采煤面回采期间和在1405采煤面回采期间都没有发生断裂④顶板在1404采煤面回采期间和在1405采煤面回采期间都发生断裂，顶板共发生两次断裂。

显然，第三种情况最为有利，而第四种情况则最为不利。

巷道地质条件不同，巷道顶板的断裂位置亦不同：①巷道顶板在充填体上方断裂，此种情况对巷道安全较为有利，上覆岩层的部分压力通过断裂的顶板岩块作用下采空区冒落的矸石之上，减轻了巷道顶板上的压力，巷道处于悬伸于巷道上方的顶板岩层的掩护之下②巷道顶板在巷道上方断裂，此种情况对巷道安全的威胁较大，当充填体因承受不了顶板压力而完全破坏或塌陷时，断裂岩块向采空方向倾斜、弯曲，断裂的顶板将会给巷道支护造成巨大压力，则只有通过采用适当的加强支护措施才能维护巷道的安全③巷道顶板在实体煤上方断裂，此种情况最为危险，当锚索的锚固深度浅于顶板的断裂高度，或者锚索的支护强度不足以悬吊支撑断裂岩层的重量时，顶板将会发生垮冒，巷道将会被全部压垮。

3.4 沿空留巷针对性支护措施

⑴加强顶板支护：巷道顶板采用锚索配合槽钢梁进行加强支护。槽钢梁沿巷道横向铺设在原锚杆支架位置。每根槽钢梁上安装两根锚索，锚索均垂直顶板层面安装。加强锚索支架的棚距与原锚杆支架的棚距相同，仍为900mm。两根锚索相距巷道上、下帮的距离分别为1 400mm、800mm，两根锚索之间相距1 600mm.槽钢的规格为12号，锚索的规格为ф15.24mm×6 300mm.

⑵加强工作面侧巷帮支护：在沿空留巷中，加强工作面侧巷帮的支护十分重要。在实体煤巷道，两帮的支护条件是相同的，支护的作用和效果也是相同的。但在沿空留巷中，由于巷道的另一侧是采空区，巷道顶板成了一端无支撑的悬伸的顶板。此时，实体煤侧巷帮的受力会更大，巷帮的变形破坏深度会更深，变形破坏的范围会更大，顶板的沉降也就会更大，顶板发生离层和破坏的可能性也就更大。在这种情况下，除了顶板支护以外，对顶板的支护和控制作用主要依赖于实体煤侧的巷帮支护。所以要在提高巷帮锚杆支护强度的同时，增加锚杆的锚固深度。工作面侧巷帮加强支护，采用锚杆配合扁钢。在巷帮中部布置两根锚杆，扁钢沿巷道纵向铺设，并相互搭接。每个支护剖面内布置的两根锚杆之间的间距为700mm，巷帮的加强锚杆的棚距亦与原支护棚距相同，仍为900mm。锚杆穿过扁钢上的锚杆孔垂直锚入巷帮媒体中。锚杆的规格为ф20mm×2 500mm，扁钢规格为2 100mm×200mm×3mm。

⑶增加顶板岩层的控制高度：巷道的安全威胁来自于巷道顶板岩层的可能的断裂和垮冒。顶板断裂和垮冒的高度与顶板岩性结构有关，与回采面的采厚有关，与采空区顶板的冒落高度和充填状况有关。不过，这些因素都已经是确定了的，是不能改变的客观条件。在第一次支护施工时，锚索的锚固深度不到4m。而如果适当加长锚索的锚固深度后，将会有利于增加顶板的安全性。因为如果直接顶的厚度大于4m，且在留巷期间发生离层断裂时，将会直接威胁到巷道的安全，所以需要增加锚索的锚固深度，使其大于巷道顶板可能的断裂垮冒高度。