软岩巷道沿空留巷联合支护技术研究

2018-03-05刘燕祥盆伟伟黄汉锋

中国煤炭 2018年1期

刘燕祥盆伟伟黄汉锋

(1. 广西百色那荷矿业有限责任公司，广西自治区百色市，533000； 2.广西百色矿务局煤业有限公司，广西自治区百色市，533000； 3.广西百色百矿集团有限公司，广西自治区百色市，533000)

在煤矿回采巷道布置过程中采用沿空留巷，每一个工作面可以少开拓一条巷道，有效提高煤炭资源回收率，还能实现工作面的Y型通风，解决高瓦斯矿井中的隅角瓦斯积聚的难题。对于煤炭资源相对匮乏的广西地区，沿空留巷无疑是一种提高煤炭回采率的有效手段。但是，广西地区的煤炭赋存条件有一定特殊性，地质条件较为复杂，煤岩体强度较低，煤炭资源多分布在软岩当中。如果采用沿空留巷技术围岩多会产生大变形，一方面给后续的煤炭资源开采造成安全隐患，另一方面也影响矿井正常的生产进度。因此，如何控制软岩巷道沿空留巷围岩的大变形是广西地区推广沿空留巷技术的关键。国内外专家学者对于沿空留巷技术进行了大量的研究，柏建彪等提出采用膏体材料进行巷旁充填沿空留巷技术，并建立了相应的力学模型以及膏体充填主要参数的确定方法；张农等基于沿空留巷采场覆岩运动特征，研究了采空侧楔形区顶板应力传递承载机制及顶板预裂卸压机理，并提出预裂爆破卸压、分区治理、结构参数优化的“三位一体”围岩控制关键技术。总体来看，在南方地区软岩条件下采用沿空留巷技术的矿井较少，相关的研究也较少。因此，本文以广西那荷煤矿C202工作面为工程背景，对软岩巷道沿空留巷联合支护的关键技术进行概括总结，解决了沿空留巷的支护问题，实现了应力的重新分配，为沿空留巷的推广使用提供可借鉴的理论依据及技术经验。

1 软岩巷道沿空留巷联合支护原理

那荷煤矿C202轨道巷软岩巷道沿空留巷联合支护技术是在传统的沿空留巷技术基础上加以创新，一是在工作面推进开采前提前在巷道进行双排锚索施工，对巷道顶板进行加固支护；二是工作面推进开采后，及时在支架后采用U型钢支柱配合π型梁切顶支护；三是创新使用锚杆锁住π型梁一端与U型钢支柱形成悬吊切顶联合支护；四是沿空留巷内加强支护，在U型钢支柱侧使用两排单体柱加强支护，保持巷道的支护强度。

2 软岩巷道沿空留巷联合支护的具体应用

2.1 设计思路

沿空留巷成功的关键在于顶板支护，对于较为完好坚硬的顶板，可以采用放炮预裂切顶主动切断采空区与沿空留巷的联系；对于较为破碎的软岩顶板，则可以采取联合支护，主动加强顶板的支护。联合支护主要是针对压力大、变形严重的巷道，有针对性地进行顶板支护及采空区控制，形成立体的联合支护体系，使巷道顶板应力重新分布，达到巷道顶板压力均衡分布目的，同时U型钢支柱配合菱形网，可以有效阻挡采空区矸石往沿空留巷涌入，同时可以解决喷浆问题，达到留巷目的。

2.2 技术方案

2.2.1 试验巷道的选择

C202轨道巷位于那荷煤矿二采区C202工作面，C202轨道巷全长250 m，属沿C煤层布置巷道，巷道宽3.6 m，高2.8 m，顶板较为破碎，采用锚网支护，具有典型的软岩巷道特征，C202轨道巷沿空留巷可以当作下一个备采工作面的专用回风巷，这样可以少掘进一条巷道，节约成本，同时提高备采工作面的可采煤量，所以软岩巷道沿空留巷联合支护技术工程选择在C202轨道巷实施。C202巷道布置如图1所示。

图1 C202巷道布置图

2.2.2 联合顶板支护的设计

(1)双锚索加强支护。在巷道原来的锚网支护基础上，提前50 m采用双排锚索加强支护。锚索规格为ø15.25 mm×6000 mm钢绞线；垫板规格为300 mm×300 mm×16 mm，每根锚索使用5支K2335型锚固剂。锚索间排距为1900 mm×3000 mm。C202轨道巷锚索布置如图2所示。

图2 C202轨道巷锚索布置图

(2)联合支护。首先使用单体柱顶住π型梁，然后在采空区侧使用U型钢支柱，在π型梁另一端打锚杆锁住π型梁，形成联合支护。具体技术要求为：U型钢柱必须要有一定的迎山角，与垂直夹角约5°，顶住π型梁采空区一端，π型梁压住菱形网。π型梁长2000 mm，一端开孔直径30 mm，长50 mm，端使用2500 mm锚杆锁住。每组联合支护间距500mm。C202轨道巷沿空留巷联合支护示意图如图3所示。

图3 C202轨道巷沿空留巷联合支护示意图

(3)沿空留巷内加强支护。将采空区侧原进行临时支护的单体液压支柱重新支护至与U型钢架腿相距0.7 m位置π型梁上，形成第一排加强支护体，该段加强支护长度为支架后40 m内(略大于周期来压步距)；再在距离巷道非采空区侧巷帮1 m位置布置一排长约80 m的单体液压支护+铰接梁加强支护体(略大于两个周期来压步距)，柱距1 m。留巷内共形成双排加强支护体。C202轨道巷沿空留巷联合加强支护示意图如图4所示。

2.2.3软岩巷道沿空留巷联合支护施工工艺及技术参数

施工工艺流程为：准备工作→加强支护→临时压网支护→联合支护→单体柱回收→喷浆。

图4 C202轨道巷沿空留巷联合加强支护示意图

(1)准备工作。提前调整工作面保持机尾端头支架上边平回风巷下帮边线，备足U型钢腿、π型钢梁、单体支柱、打锚索所需的工具材料等。

(2)加强支护。C202轨道巷顶板原锚杆支护规格为800 mm×800 mm，在原锚网支护的基础上，采用双排锚索加强支护：沿空留巷巷道煤壁往外500 mm打一排锚索，间隔1900 mm再打一排，锚索长度6000 mm，矩形布置，排间距为1900 mm×3000 mm，斜向边帮15°布置。同时，工作面超前支护必须按规定提前完成。

(3)临时压网支护。工作面推进后，在沿空留巷巷道端头支架尾部靠近采空区侧挂双层菱形网，配合单体柱压住网头，有效阻挡采空区窜矸，并形成临时支护。

(4)联合支护。步骤1，推采过程中端头支架要注意与超前支护的单体配合工作，确保顶板支护到位，严禁出现空顶行为。步骤2，架设U型钢柱+π型钢梁棚架，在做好临时支护后，及时安装棚架，棚架架腿采用25U型钢制作，架梁采用π型钢，长度为2 m，π型梁一端支撑25U型钢腿，π型钢梁与回风巷巷道方向成垂直布置。U型钢腿使用液压升柱器连接工作面液压系统升紧，保持初撑力不低于20 MPa。步骤3，打锚杆锁定π型梁，π型梁另一端采用打锚杆锁紧在顶板上，锚杆使用ø20 mm×2500 mm全螺纹锚杆。钢棚架垂直于巷道，间距0.5 m。步骤4，留巷内加强支护，布置U型钢+π型钢梁棚架后，将采空区侧原进行临时支护的单体液压支柱重新支护至与U型钢架腿相距0.5 m位置π型梁上，形成第一排加强支护体，该段加强支护长度为支架后40 m内(略大于周期来压步距)，再在距离巷道非采空区侧巷帮1 m位置使用单体液压支护+铰接梁布置一排约80 m加强支护体(略大于两个周期来压步距)，柱距1 m，迎山约5°。留巷内共形成双排加强支护体。

(5)单体柱回收。进行留巷超40 m后开始回收留巷内的双排单体支护，留巷超80 m后开始回收留巷内的单排单体支护，保持留巷内形成40 m双排加强支护，80 m单排加强支护。

(6)喷浆作业。工作面结束后对采空区侧进行喷浆，以防漏风，喷浆前重新整理好铁网归堆好材料后使用潮喷机喷浆封闭采空区。

2.2.4 沿空留巷的通风及顶板管理

为保证巷道通风，沿空留巷必须实现独立通风。沿空留巷安设甲烷传感器、一氧化碳传感器、氧气传感器、温度传感器。为加强顶板管理，巷道每隔100 m安设压力和离层观测仪1套。

2.2.5 创新点

利用采面液压系统，创新发明使用液压升柱器；创新对沿空留巷进行联合立体支护，形成锚杆+π型顶梁+双支柱型联合支护使巷道顶板应力重新分布，达到巷道顶板压力均衡分布目的；参照工作面超前支护，根据工作面周期来压步距，创新提出沿空留巷40 m内形成双排单体柱加强支护，80 m内形成单排单体柱加强支护。

2.2.6 总结

(1)存在的问题。U型钢柱在施工过程中容易打成直柱，迎山角不足；U型钢柱柱头卡口部分容易脱焊，大块压U型钢柱往沿空留巷；顶板不平，π型梁接顶不严造成应力分布不均。

(2)解决方案。加强施工指导及施工监督，保证施工质量；加高加厚柱头卡口部分，保证强度；针对顶板不平，使用枕木、木板进行配顶。

(3)经济效果。减少掘进一条巷道的掘进、支护成本，缩短工作面布置时间，有效缓解采掘接替紧张的局面；沿空留巷可以实现无煤柱开采，提高采区回采率，大大提高煤矿经济效益。

2.2.7软岩巷道沿空留巷联合支护技术成果展示

沿空留巷内双排加强支护效果如图5所示。沿空留巷效果如图6所示。