沿空留巷现场施工关键技术的研究与应用

张士钰，张良飞，仲晓伟

(1. 西山煤电集团有限责任公司 官地矿，山西 太原 030053； 2. 太原科技大学 安全工程学院，山西 太原 030024；3. 西山煤电集团有限责任公司 屯兰矿，山西 太原 030206)

传统的高瓦斯矿井综采工作面布置为 “一面三巷”(皮带顺槽、轨道顺槽、回风顺槽)，采用“U+L”通风系统。该布置方式存在吨煤掘进率较高、独头尾巷及保护煤柱损失等问题。根据山西焦煤集团公司“逐步取消自然发火倾向煤层采煤工作面排瓦斯尾巷”的瓦斯治理思路，结合矿井地质开采条件，研究应用无煤柱沿空留巷技术，采用Y型通风方式，对缓解矿井采掘抽衔接紧张局面，提高资源回收率，降低吨煤成本，实现矿井安全高效可持续发展具有重要意义。

1 技术优势

1) 降低高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井瓦斯治理难度。传统“U+L”型通风方式通过排瓦斯横贯排放瓦斯，诱发了采空区瓦斯大量涌出，同时形成高瓦斯区域(上隅角至排瓦斯横贯段)。Y型通风系统将改变采空区瓦斯运行线路，充填墙体实现了对采空区的隔离，消除了上隅角至排瓦斯横贯段以及尾巷瓦斯超限的隐患。

2) 缓解矿井抽掘采衔接紧张局面。采用“U+L”型通风方式的矿井，万吨掘进率较高。沿空留巷无煤柱开采工艺大幅度减少巷道掘进工程量，使沿空巷道复用为下一个工作面顺槽，有利于提前构成工作面，为瓦斯抽采提供更加充裕的时间和空间，在很大程度上缓解采、掘、抽衔接紧张问题。

3) 延长矿井服务年限。取消相邻工作面保护煤柱后，采区煤炭资源回收率大幅度提高，矿井的服务年限将明显延长。

2 沿空留巷工作面概况

屯兰矿是山西焦煤集团有限责任公司所属的一座特大型现代化矿井，属煤与瓦斯突出矿井。2016年瓦斯等级鉴定结果：矿井绝对瓦斯涌出量为196.4 m3/min，相对瓦斯涌出量为23.1 m3/t. 沿空留巷工作面18205位于南二盘区(下组煤)，可采走向长度1 351 m，切眼长度211 m，开采8#煤，煤层平均厚度3.3 m，可采储量117万t. 工作面 “借用”下接面18207轨道顺槽及切眼，三巷平行布置，皮带顺槽及轨道顺槽进风，沿空留巷及借用巷道回风。

顺槽断面为矩形，均采用全锚支护方式支护。皮带顺槽(机轨合一)净高3.5 m，净宽5 m，断面17.5 m2. 轨道顺槽为沿空留巷巷道，净高3.5 m，净宽5.5 m，断面19.25 m2. 切眼净高3.3 m，净宽7.5 m. 沿空留巷充填循环进度为2.4 m，宽度2.5 m(充填体占顺槽宽度0.9 m、采空区宽度1.6 m). 工作面采高3.3 m、循环进度0.8 m. 主要工序：运料、割煤、充填空间维护、空间布置、墙体充填、喷浆接顶、巷道维护。采煤机型号为MG400/920-WD、刮板输送机型号为SGZ-880/800、液压支架型号为ZY5600/20/42(137台)、巷旁充填液压支架型号为ZMC15000/25/42(1台)、ZMC13600/25/42(1台)。充填泵型号为BSM1002E，充填泵技术参数：最大输送压力10 MPa、理论最大排量20 m3/h、料斗容积220 L、搅拌机排量15 L、电机功率75 kW.

3 现场施工关键技术

3.1 大断面巷道施工技术

3.1.1大断面巷道支护技术

工作面两顺槽均属大断面巷道(皮带顺槽断面为5 m×3.5 m、轨道顺槽断面为5.5 m×3.5 m)，传统的支护技术满足不了大断面巷道支护要求。结合煤层顶板岩性，采用二次成巷技术，在原4.5 m宽巷道的基础上扩帮，同时采用角锚索补强的支护方式有效控制顶板，为工作面正常生产创造了条件。具体支护参数见图1.

图1 大断面巷道支护示意图

3.1.2静态破碎拉底技术

8#煤煤层厚为2.3～3.74 m，平均厚度为3.3 m，而沿空留巷要求轨道顺槽最低高度为3.5 m、回风巷道高度为3.7 m，工作面顺槽大部分高度不够。在掘进机难以直接截割而爆破施工又影响瓦斯抽采系统的条件下，采用二次成巷的方法(即巷道沿煤层施工完毕后进行拉底)施工。引进HSCA型高效无声静态破碎剂，顺利完成了5 000 m的巷道拉底工程。

3.2 墙体补强技术

由于充填料粒径影响了充填墙体的强度，顶板来压后将会破坏墙体的整体结构，结合充填模板支架空间、矿井运输条件，采取了墙体补强措施。充填前在充填空间内架设3片钢筋网并用d16 mm钢筋纵向联接，增加了墙体的整体强度。墙体内部补强见图2.

图2 充填墙体内部补强示意图

新旧墙体胶结强度较小，容易造成墙体之间裂缝，为了防止新旧墙体因底板不平整或受力不均匀产生缝隙，导致采空区瓦斯泄漏，在上一充填墙体正中均匀预埋两排(6根)L型d20 mm×2 000 mm的圆钢，每排3根、排距0.6 m、最上一根距顶板约1 m、L型圆钢角度为120°；下一墙体充填前将其外露部分拉直,用于减少相邻两充填体的相对位移，避免裂缝的产生。

3.3 超前角度锚索支护

沿空留巷上覆岩层为悬臂结构，工作面回采后重新分布的压力将导致墙体受力集中。根据充填墙体上覆岩层及墙体的受力特征，为防止墙体因应力集中而破坏变形，设计了加长角度锚索，锚索规格：d17.8 mm×8 500 mm,与顶板夹角为60°，间距2.0 m. 将墙体上覆岩层固定在深部稳定的岩层中，减少上覆岩层对墙体的破坏。超前角度锚索设计见图3.

图3 超前角度锚索支护示意图

3.4 墙体堵漏技术

由于墙体接顶不良、旧墙体正面的双抗PVC布未扯净、充填处墙体底板不平、浮煤未清理彻底等原因，均可导致新旧墙体搭接处裂缝，采空区瓦斯将会沿裂缝扩散至回风巷内造成瓦斯超限。

3.4.1方案设计

根据瓦斯泄漏位置及分布情况，确定墙体主要裂缝为上部顶板、喷浆接顶处以及充填墙体上半部。为避免有机注浆材料注浆过程中反映温度过度引燃高浓度瓦斯，采用黏接力强、流动性好、膨胀系数高的无机注浆材料进行堵漏。

3.4.2注浆主要设备与材料

1) 气动高压双液注浆泵(型号ZBQ-5/12型)。

2) MQT-120气动锚杆钻机。

3) 自制注浆锚杆。

4) 粉煤灰、速凝固化剂。新型速凝固化剂库尔拜作为封堵材料进行充填加固，初凝时间为30～40 min，抗压强度大于5 MPa，膨胀系数3%～5%，材料配比：粉煤灰∶固化剂=1∶2.

3.4.3注浆加固工艺

标孔→钻孔→检查钻孔质量→安装注浆管及封孔部件→封孔→准备浆液→开泵注浆→凝固→检查注浆质量→验收。

3.4.4注浆孔的设计

从顶板向下500～600 mm定开孔，倾斜30°向采空区施工注浆孔，穿过墙体、喷浆层以及破碎顶板，孔深1.7 m，外露0.3 m，间距1.0 m. 钻孔布置见图4.

3.4.5效果分析

留巷墙体与顶板及墙体与墙体结合处经过加固后，瓦斯涌出量显著减小，瓦斯浓度由3%降至0.5%，能够保证工作面正常回采。

3.5 超重超高超长模板支架安装技术

沿空留巷核心设备为侧模板支架、后模板支架及YZM1880/26/40型液压模板。侧模板支架单台重量79.2 t，不可拆分最大单件重量达16 t，该支架高度为2.5～4.2 m，支架最大长度11.5 m. 而副斜井JK-2.5提升机最大载荷为20 t，且井下5 m以上为超长运输，无法满足支架整体下井安装要求。因此，必须选择地面解体，井下安装的方式。

针对井下安装存在的两个问题：1) 支架组装时的吊装问题。2) 支架组装后从吊装硐室沿5°坡提升至切眼安装位置期间的运输难题。根据模板支架的外形尺寸，在轨道顺槽切眼后部施工模板支架安装硐室，硐室内安设风动提升机支架解决组装难题。

风动提升机型号为JDN-20，最大载荷20 t，最大安装高度1 140 mm，结构紧凑，性能稳定，提升安全系数高，动力源采用矿井压风系统，配合450 A型H型钢为吊装梁，在净高5.5 m吊装硐室内完全满足吊装所需技术参数。模板支架硐室设计见图5.

图5 模板支架硐室平剖面图

3.6 充填料连续运输工艺

针对充填料运输任务量大、运输环节多的特点，工作面轨道顺槽及采区轨道大巷内均采用了以无极绳连续牵引车代替调度绞车的运输方案，成立了专门运输组，在拌料机外设计了专用车场，规定了所有作业人员绕行集中胶带巷的制度，形成了专职人员专线连续运输的格局，消除了辅助运输制约正常生产的“瓶颈”。

4 经济效益分析

工作面可采长度1 351 m，工作面长211 m，煤层总厚3.3 m，可采储量117万t. 按日产4 000 t计算，日推进4.8 m，可采期270天。

4.1 沿空留巷工作面节省费用

1) Y型通风与U+L型通风相比，少施工回风顺槽，沿空所留巷道二次复用，服务于下一个工作面，其节约巷道及横贯成本：

M1=L1×m1+L2×m2=1 400×0.37+540×0.15=599 (万元)

式中：

L1—巷道长度，m，取1400(含准备巷)；

m1—施工巷道每米掘进进尺成本，万元/m，煤巷取0.37；

L2—横贯长度，取m；

m2—施工横贯每米掘进进尺成本，万元/m，煤巷取0.15.

2) 减少了横贯密闭工作量，节省成本：M2=a×

m=27×2=54(万元)。

3) 多回收煤柱(12万t)的收益：M=12×600=7 200(万元)。

以上各种节省费用与收益合计7 853万元。

4.2 沿空留巷投入

1) 充填墙体材料成本(14.9元/t)：14.9×117=1 746万元。

2) 充填泵等特殊设备和管路增加安装费用：10万元。

3) 耗电费用：充填泵功率为75 kW，螺旋输送机功率为5 kW，无极绳绞车功率为130 kW，预计每天充填、运输4 h，则运输及充填施工耗电为840 kWh. 按每工作面生产270天计，充填施工相关耗电总量为22.68万kWh，按电费0.55元/kWh计，耗电总费用约12万元。

4) 增加的巷道维护费用：沿空留巷复用每米维护费用为450元，需投入费用60万元。

5) 人工费用：一支专业队伍用于运输、充填、维护，而施工回风顺槽同样需要一支掘进队伍及辅助队伍，因此人工费用基本抵消。

工作面增加的费用合计1 828万元。

综上所述，采用沿空留巷增加的效益为6 025万元。

通过对多个使用沿空留巷工作面费用分析得知：快速沿空留巷工作面吨煤成本平均增加20元，与节约的巷道施工、维护费用大体相当，回收煤柱收益基本上为项目实施的经济效益。

5 结 语

尽管沿空留巷快速充填技术在屯兰矿已经取得成功，但仍有一些问题需要逐步解决。需对充填墙体二次采动影响下受力情况进行深入研究，充填接顶、让压技术尚需进一步优化，充填墙体受损泄漏瓦斯的隐患仍然存在。随着切顶卸压沿空成巷技术的不断应用，并与沿空留巷快速充填技术有机结合，充填墙体强度及宽度要求适当降低，充填工艺对工作面产量制约将减小，吨煤成本将逐步降低，沿空留巷Y型通风技术将逐步完善。