首采工作面外圈留巷维护技术研究与应用

李 伟

（潞安集团李村煤矿建设管理处，山西 长治 046000）

1 研究背景

李村矿井采用立井单水平（+370m）开拓方式，1301综采工作面为首采工作面，其可采长度441m，工作面长度240m，可采储量70万t，巷道布置方式为“双U+高抽”。外圈两条巷道分别为1301工作面进风巷、1301工作面运辅助回风巷，净区段煤柱宽度分别为25m、45m。根据对矿井开拓部署的优化，计划对两条外圈巷道留巷复用，分别作为南部带式输送机大巷、南部行人进风巷，可减少开拓工程量990m。

相邻的赵庄、霍尔辛赫等生产矿井工作面外圈留巷煤柱均在50～60m左右，且李村矿井较周边矿井埋深更大，地应力较高，尤其是1301工作面进风巷留巷难度非常大。因此，开展深井、高应力外圈动压巷道维护技术研究和实践非常必要。1301工作面巷道布置图见图1。

图1 1301首采工作面巷道布置图

2 现场工程条件

1301首采工作面开采的3号煤厚平均厚约4.85m，倾角平均为3°，煤层结构简单，层位、厚度均稳定。3号煤层顶板主要为泥岩和砂质泥岩，底板主要为泥岩和砂岩。1301工作面总体呈一西倾单斜构造，倾向229°～263°，倾角0°～6°，工作面南部坡度较大，北部较缓。1301工作面范围内地质条件较为简单，局部地方底板可能出现起伏变化，形成小型向斜及背斜，在向斜及背斜转折端会造成煤岩裂隙发育，出现淋水、滴水现象。围岩柱状见图2所示。

图2 1301工作面围岩柱状图

李村矿井煤岩体地质力学参数测试结果显示，南翼进风石门和中央回风石门两测站最大水平应力分别为23.26MPa和22.15MPa，最小水平主应力分别为11.76MPa和10.46MPa，垂直应力分别为13.50MPa和13.63MPa，最大主应力方向分别为N51°W和N47°W。根据测试结果可定义该区域地应力整体上属于高地应力值区域。3号煤体强度大部分集中在6～10MPa之间，煤帮浅部强度普遍较低，平均强度为8.29MPa，煤体软弱破碎。

3 技术研究重点

（1）1301工作面3号煤总体上强度较低，平均强度为8.29MPa，且结合长壁工作面倾向围岩应力分布特征（图3），区段煤柱处于采动应力增高区：一是通过煤体注浆，提高煤体自身强度和自稳能力；二是通过补打帮部锚索，提升煤体主动支护强度。

（2）1301工作面进风巷、1301工作面辅助回风巷原支护设计参数为正常巷道支护，锚索布置方式为3-0-3布置方式。经过数值模拟分析，结合现场经验，依据高预应力强力锚杆支护理论，无法满足采动影响后的支护强度，必须进行锚索补强支护，提高整体支护系统的强度。

4 巷道维护方案

结合井下矿压观测情况以及区段煤柱情况，确定1301工作面进风巷加固维护范围为3号联巷至辅切开口525m范围，1301工作面辅助回风巷加固维护范围为巷道开口至辅切开口465m。

4.1 1301工作面辅助回风巷

结合相邻矿井情况，1301辅助回风巷断面为5.2×3.8m，主要采用锚网索组合支护方式，区段煤柱宽度为45m，进行正常加固维护即可。顶锚索布置方式由原来的3-0-3调整为3-3-3，张拉力不小于300kN；两帮补打帮锚索，规格为Φ22-1×19-5300mm，每帮2根，排距2m，距巷道底板分别为500mm、2000mm，张拉力不小于150kN。

图3 长壁工作面倾向围岩应力分布特征

4.2 1301工作面进风巷

（1）巷道原支护设计

1301进风巷断面为矩形，宽5.2m，高4.2m，主要采用锚网索组合支护方式，支护方案如图4所示。

图4 1301工作面进风巷原支护设计图

（2）矿压观测情况

根据1301进风巷窥视结果，结合现场实地查看可知，巷道主要变形段集中在两个区域：一是巷道中钻场附近区域，钻场与巷道交叉位置两帮移近，底板底鼓，不同钻场区域底鼓量不一样，最大底鼓量约300mm，两帮顶角有明显移近；另一矿压显现明显的区域是地质构造影响区域，距离1301进风巷中开口560～660m范围内巷道变形明显，顶板破碎，顶板离层明显，多处坠包，各帮移近量约200mm，底鼓量约500mm。顶板窥视结果显示，顶板离层主要集中在锚杆锚固范围内，两帮煤体破碎，裂隙、节理发育充分，两帮和顶板完整性非常差，局部顶板出现锚杆破断现象，1301工作面进风巷其他范围内煤岩体完整，除局部底板有轻微底鼓，巷道基本无变形。

（3）加固维护方案

① 对巷道顶板进行锚索补强加固，由原设计的3-0-3布置方式调整为3-4-3布置方式。隔排补打4根锚索，间距1.2m，距帮0.8m。

② 对1301工作面进风巷两帮以及1301工作面运输巷西帮进行锚索补强支护，每帮3根，规格为Φ22-1×19-5300mm，距底板分别为500mm、2000mm、3000mm，张拉力不小于150kN。

③ 对巷道内的钻场进行锚索补强支护，回采前在钻场内打设1个2×2m的井字形木垛。

④ 对1301工作面进风巷两帮以及1301工作面运输巷外帮进行注浆加固。先对需要注浆段巷道进行围岩喷浆封闭，喷浆厚度50～80mm。

浆孔布置：浅部围岩注浆孔矩形布置，每排每帮2个孔，钻孔排距4000mm，孔深3000mm。注浆孔间距1800m，底部注浆孔距离底板1200mm。

注浆方式：埋孔口注浆管，孔内下射浆管，射浆管长度2.5m，全长一次注浆。

成孔：两帮4个注浆孔使用ZQS-65/2.5手持式气动（防突）钻机，配Φ42mm钻杆、直径Φ44mm钻头打孔。

浅部注浆完毕后，再打深部注浆孔进行深部注浆。

深部注浆孔布置：深部围岩注浆孔矩形布置，每排每帮3个孔，间距1300mm，底部注浆孔距离底板800mm，钻孔排距4000mm，孔深全部6000mm，与3000mm深的浅孔成五花布置。

注浆材料构成：正常注浆使用425#普通硅酸盐水泥，配合XPM添加剂制备素水泥浆，大范围漏浆进行注浆堵漏时，压注水泥—水玻璃双液浆。

注浆材料配比：使用XPM添加剂，添加剂用量为水泥重量的8%～10%。使用XPM添加剂，水泥浆的水灰比0.7:1～1:1（根据现场注浆情况小范围内调整）。使用水泥—水玻璃双液浆时，水泥浆配比不变。水玻璃浓度48～55Be'（根据现场情况进行调整），模数M=2.8～3.2。水泥浆和水玻璃的体积比 1:0.4～1:0.6。

5 效果及经济效益

1301首采工作面推进390m，通过综合矿压观测站监测，1301工作面辅助回风巷顶帮基本无变形，局部巷道出现底鼓，平均底鼓量约500mm；1301工作面进风巷顶板基本无下沉变形，帮部小范围收缩，平均收缩量约150mm，动压影响区域发现底鼓现象，平均底鼓量约350mm。能够保证后期使用的要求。

外圈巷道维护工程总费用700万元，1301回采结束后，预计还需巷道修复费用200万元。留巷减少了开拓工程量990m，掘进费用约1500万元，合计可节约资金600万元。