神府矿区浅埋薄基岩煤层沿空留巷技术的应用研究

2018-05-05李雄

中国资源综合利用 2018年2期

李雄

（榆林神华能源有限责任公司郭家湾煤矿，陕西神木 719300）

1 矿区地质情况介绍

1.1 矿区地层

陕北侏罗纪煤田神府矿区地层属华北地层区，鄂尔多斯地层分区，东胜-环县地层小区。根据地质钻孔揭露的地质信息，矿区地层依次为：（T3y）三叠系上统延长组，（J1f）侏罗系下统富县组，（J2y）侏罗系中统延安组、直罗组（J2z）、安定组（J2a），白垩系下统洛河组（K1l），新近系（R）及第四系（Q）[1]。

1.2 新民矿区地质情况

该矿区位于鄂尔多斯盆地断带，中朝大陆板块，区内地形较复杂，地貌类型多样。西部与毛乌沙漠相邻，区内受其影响，沙丘、沙梁、沙坡、沙地屡见不鲜；东部沟壑纵横，梁峁相间，地形支离破碎，多为离石组黄土覆盖，地表植被稀疏，水土流失较严重。属半干旱大陆季风性气候，降水量远小于蒸发量，四季分明，冬春两季多受风沙危害和影响。地表水系均属黄河水系，主体水流为北西-南东向[2]。

1.3 可采煤层

井田内达到全区可采和局部可采的煤层共有7层，由上到下为4-2上-1、4-2上-2、4-3、4-4、5-1上、5-1、5-2号煤层，各煤层的位置、厚度、结构、顶底板岩性、平面特征及可采性由于篇幅原因暂不详述。本文主要针对5-1、5-2号煤层的沿空留巷技术开展研究[3]。

2 沿空留巷有关的技术条件

2.1 主要可采煤层顶底板情况

2.1.1 煤层顶板稳定性

5-1号煤层顶板属不稳定～较稳定型（Ⅰ～Ⅱ），零星地段属稳定型（Ⅲ）。5-2号煤层顶板以中细粒砂岩及粉砂岩为主，局部为泥岩，岩石质量指标RQD＝100%，岩体完整，基本属较稳定～稳定型（Ⅱ～Ⅲ）。

2.1.2 煤层底板稳定性

5-1号煤层底板以泥岩、粉砂岩为主，细粒砂岩零星分布，岩体较完整，RQD＝80%，属不稳定～较稳定型（Ⅰ～Ⅱ）。5-2号煤层底板以粉砂岩、泥岩为主，细粒砂岩局部分布，岩体较完整～完整，RQD为84%～93%，属于较稳定型（Ⅱ）。

2.2 瓦斯

依据地质报告，井田内共采集瓦斯样品108个，均为现场解吸瓦斯煤样。测试结果表明，各煤层现场解吸瓦斯量均为零。化验室测定成果中，瓦斯自然成分中N2的含量为72.58%～100%，CH4气含量为0～14.36%；煤层瓦斯含量中CO2的含量为0～2.39 m3/t，CH4含量为0～0.39m3/t。根据瓦斯分带标准，井田煤层瓦斯分带均属瓦斯风化带，主要为氮气-二氧化碳带和氮气带。

另据周边小煤矿调查资料，各矿历史开采过程中均未发生过瓦斯爆炸事故。同时，本矿井西部的大柳塔矿井、哈拉沟矿井和石窑店矿井等生产矿井均属于瓦斯矿井。

3 沿空留巷基本机理与围岩控制技术

沿空留巷是维护在工作面后方的采空区边缘巷道，即在工作面回采过程中，通过有效的巷旁充填和巷内支护技术，将原巷道保留下来，作为邻近工作面的一条巷道使用向，如图1所示[1]。

图1 沿空留巷

沿空留巷是一类特殊的回采巷道，受强烈的上覆岩层活动全过程影响，特别是滞后采动压力影响时间长，附加采动应力集中系数大，围岩破坏范围大，巷道难以稳定。采场矿压理论认为：随着工作面的推进，基本顶初次来压形成“O-X”破断；周期来压在工作面端头形成弧形三角块，沿空留巷在其下方，弧形三角块的运动及是否再次破断对巷道围岩的稳定起到控制作用[1]。

4 沿空留巷基本顶破断机理

不同的支护方式会影响基本顶的破断位置和形态，高阻力的巷旁支护切顶高度大，冒落矸石能充填满采空区承载更上位岩层，减少巷旁支护体载荷；实煤体帮的高强度锚杆支护可减少基本顶断裂线距实煤体帮表面的距离，减少作用在巷旁支护上的载荷，从而减少顶板下沉量；高强度巷内支护和巷旁支护（主要是巷旁支护）可能使基本顶断裂线由实煤体上方向采空区一侧转移[4]。高强度的巷旁支护首先在充填体采空区侧上方将基本顶切断，当切顶达到一定高度后，充填体没有能力再继续切断更上位基本顶时，基本顶就会在实煤体上方再次发生断裂。

基本顶第1次破断：位于工作面后方的实煤体侧上方，基本顶初次来压形成“O-X”破断向[5]。此时，由于巷旁支护还未很好起到支撑作用，弧形三角块破断时受到巷旁支护的支撑作用小，当达到极限跨度时，弧形三角块首先在实煤体侧发生第1次断裂。

基本顶第2次破断：在充填体侧（采空区侧）上方。随着工作面的进一步推进，关键块以断裂线为转动支点向采空区侧旋转，旋转角度不断增大，此时，巷旁支护体已具有较高的强度，在切顶阻力作用下，关键块在充填体采空区侧上方发生第2次断裂。

大量的实测表明，在第一个工作面推过后，沿空留巷顶板岩层活动剧烈，具有明显的阶段性活动特点。为此，沿空留巷围岩变形划分为三个阶段，即一次采动影响阶段、留巷稳定阶段和二次回采超前影响阶段。

5 沿空留巷充填材料与快速充填技术研究

目前，国内较为成熟的充填材料有混凝土材料和高水材料，其中沿空留巷行旁充填混凝土设计与普通混凝土设计相比，砂率要比普通混凝土大，通常情况下为45%～50%；石子的最大粒径要与输送管的直径及柔模厚度相适应，通常最大粒径小于20 mm，一般采用5～16 mm；搅拌的混凝土水灰比取0.4～0.6为宜；坍落度宜为180～250 mm。

高水材料本身和相关技术已经完善，在多个矿务局现场实施后，留巷效果良好。其本质是一种能在高水灰比（W/C=1.3:1～3:1）下快速凝结的特种水泥。为便于使用，该材料出厂后分为甲料、乙料、加甲料及加乙料四部分，制浆时加甲料与甲料混合形成甲料浆，高水材料在使用过程中要注意甲、乙两种料混合均匀、等量进浆，这样更容易让强度达到最大。浆液输送应采用双液等量注浆泵，分别将已搅拌均匀的浆液输送到充填点。选用2ZBSB20050/515-37液压注浆泵，该泵最大排量为200 L/min，最大输送压力可达15 MPa，输送距离达2 000 m。

巷旁充填系统的布置如图2所示，主要环节包括井下充填泵站、输送管路、充填点。

图2 充填泵站布置

充填工艺与流程如下：首先，按比例将当天需要的料进行配备，并由卸料工将当天所需料搬运到充填泵站各自的存放处，注意避免混放。其次，在充填点进行搭建模型，然后构筑巷旁充填体。对充填空间区域顶板进行支护，根据巷道已经构筑好的充填体快速定位好充填空间位置，必须做到满足安全要求。最后，进行充填，在充填泵站，甲料、乙料分别在搅拌桶进行搅拌，最好预留一个备用的搅拌桶，搅拌好的料分别通过管道输送至构筑好的充填模型中进行混合，便完成了整个浇筑，充填体将在短时间内达到强度要求。

6 采用沿空留巷的效益分析

6.1 缓解接续紧张

沿空留巷实现了一巷两用，能显著降低巷道掘进率，缓解采掘接替矛盾。沿空留巷技术可实现连续开采。同时，无煤柱沿空留巷节约了区段煤柱，可提高采区采出率10%，具有显著的经济效益。

6.2 Y型通风促进了采面安全生产

沿空留巷使系统两进一回，工作面的上下巷都进风，留巷末端是系统风压的最低点，采空区漏风主要流向留巷，回采工作面形成Y型通风，采用Y型通风与U型通风相比，更符合风流运动规律，消除了工作面上隅角瓦斯积聚问题。同时，工作面运输、供电、供水等管路都安设在新鲜风流中，回风巷成为专用回风巷，因而显著提高生产系统的安全性。另外，沿空留巷可作为瓦斯抽放巷，可抽放相邻煤层瓦斯以便其安全开采[5]。