基于工作面过空巷布置方式的新型无煤柱开采技术在高河矿的应用研究

2021-01-07李安红康显强方树林

中国煤炭 2020年12期

李安红康显强方树林

(1.山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西省长治市，046100；2.山西高河能源有限公司，山西省长治市，046100；3.天地科技股份有限公司，北京市朝阳区，100013)

无煤柱开采是提高煤炭资源回收率[1]、减少巷道掘进量、改善巷道维护[2]、治理瓦斯超限[3]的一项先进煤炭开采工艺[4]，有利于矿井安全生产和改善矿井技术经济效果。在我国山东[5]、河南[6]、河北[7]、江苏[8]、内蒙古[9]等矿区,在浅埋[10]、深埋[6]、中厚[6]及厚煤层[11-12]、大采高[9]、综放[13]等各种条件下，积极发展无煤柱开采技术，取得了诸多成果。推行无煤柱开采，不仅对生产矿井进行技术改造、缓解采掘紧张关系和延长矿井寿命具有现实意义[14-16]，而且也是煤炭企业改善安全生产条件和技术经济指标[17]、实现增产、增效的重要途径。

笔者以山西潞安集团高河矿为研究对象，通过现场调研、理论分析、工程实践等3方面论证了无煤柱护巷的可行性和优越性。

1 工程概况

高河矿在综采工作面设计中采用留煤柱护巷布置方式，为提升煤炭资源回收率、延长矿井服务年限，在后续盘区设计中计划采用无煤柱护巷方式。

W1318和W1319工作面为高河矿西一盘区的相邻工作面，开采3号煤层，平均煤厚6.7 m，平均倾角5°，W1318工作面采用“两进一回”的“Y型+高抽巷”通风方式，即布置有胶带巷、进风巷进风，回风巷(下个工作面的胶带巷)回风，高抽巷布置在内错进风巷40 m且在煤层顶板上方40 m的岩层内，用于抽采裂隙带瓦斯。W1318工作面在回采过程中，机头(胶带巷侧)采用垮落法管理顶板，机尾(进风巷侧)采用柔模墙沿空留巷。

现W1318工作面已回采完毕，其进风巷也已沿空留设完毕。拟将复用W1318沿空留巷作为开采W1319工作面的一条巷道，通过W1319工作面的工程实践论证留巷的二次复用可靠性，从而验证无煤柱开采的可行性，为高河矿后续采用无煤柱开采技术提供理论指导和实践经验。为此，提出了W1309工作面的巷道布置方案。

2 W1319工作面巷道布置方案设计

根据高河矿现有水文地质条件，通过对W1318工作面的巷道布置方式进行调研和分析，结合高河矿现有运输及通风系统，对W1319工作面提出以下3种巷道布置方案。

2.1 留大煤柱护巷

W1319工作面留大煤柱护巷布置如图1所示。

图1 W1319工作面留大煤柱护巷布置

W1319工作面采用留大煤柱护巷布置方式。其中，将W1318工作面回风巷(“Y型”通风回风通道)和南翼带式输送机大巷相连作为W1319工作面胶带巷；根据以往留煤柱护巷现场经验，在W1318沿空留巷往南35 m沿底板新掘一条巷道作为W1319工作面进风巷；将W1318沿空留巷复用为回风巷。由于留设35 m煤柱，工作面长度为294 m。

2.1.1 通风系统

留煤柱护巷布置方式采用“两进一回”的“Y型”通风方式，胶带巷、进风巷进风，W1318工作面沿空留巷作为W1319工作面回风巷，根据工作面瓦斯含量计算，工作面配风量为3800 m3/min。

2.1.2 运输系统

胶带巷安设带式输送机运煤，进风巷作为辅助运输和设备安装主要通道，确保瓦斯抽采管路安设，材料、设备安装及更换等。

2.2 传统无煤柱护巷

W1319工作面无煤柱护巷布置如图2所示。

图2 W1319工作面传统无煤柱护巷布置

W1319工作面采用无煤柱护巷方式。其中，将W1318工作面回风巷和南翼带式输送机大巷相连作为W1319工作面胶带巷；将W1318工作面沿空留巷复用为W1319工作面回风巷。由于该巷道布置方式不需要留设煤柱，工作面长度为334 m，沿空留巷作为回风巷和运输巷道使用。

2.2.1 通风系统

采用“一进一回”的“U型”通风方式，胶带巷进风，上一个工作面沿空留巷作为本工作面回风巷回风，根据工作面瓦斯含量计算，工作面配风量为3800 m3/min。

2.2.2 运输系统

胶带巷安设带式输送机运煤，上一个工作面沿空留巷作为本工作面辅助运输和设备安装主要通道，保证后期瓦斯抽采管路、材料和主要设备运输及安装。

2.3 工作面过空巷新型无煤柱护巷

W1319工作面W型巷道布置如图3所示。

图3 W1319工作面过空巷布置图

W1319工作面采用W型巷道布置方式。其中，将W1318工作面回风巷(“Y型”通风回风通道)和南翼带式输送机大巷相连作为W1319工作面胶带巷；将W1318工作面沿空留巷复用为W1319工作面进风巷；在W1318沿空留巷往南35m沿底板掘一条巷道作为W1319工作面回风巷。

该巷道布置方式沿着工作面中间掘一条巷道作为回风巷道，兼做辅助运输巷道使用，工作面在回采过程需要过空巷，无需留煤柱，但需要多掘进一条巷道。工作面长度也为334 m。

2.3.1 通风系统

采用“两进一回”的“W型”通风方式，胶带巷、沿空留巷进风，回风巷回风。根据工作面瓦斯含量计算，工作面配风量为3800 m3/min，其中胶带巷2600 m3/min，沿空留巷1200 m3/min，现有巷道断面能够满足要求。

2.3.2 运输系统

胶带巷运煤，回风巷作为材料、主要设备安装更换主要通道，能够满足安全生产作业需要。

3 W1319工作面3种巷道布置方案对比分析

3.1 顶板上覆岩层结构演化规律分析

留大煤柱护巷方案中，本工作面回采过后，在煤柱和柔模墙支撑下，沿空留巷上覆岩层结构不会被破坏，如图4所示。同时，根据以往留煤柱护巷现场经验，巷道受煤柱和煤体保护，在一定强度的锚杆网联合支护情况下围岩变形处于可控范围之内，巷道整体变形较小，安全风险低。

无煤柱护巷方案中，沿空巷道受二次采动影响，本工作面回过后采空区侧上覆岩层稳定结构遭到完全破坏，如图5所示，造成沿空留巷产生较大变形，安全风险较高，不宜直接投入工程实践。

图4 留煤柱护巷上覆岩层结构示意图

图5 传统无煤柱护巷上覆岩层结构示意图

W型布置方案中，预先在工作面中间新掘一条巷道作为回风及辅助运输之用，工作面回采时直接推过、不保留，这种情况下沿空巷道在本工作面回采过后上覆岩层结构虽然也遭到破坏，如图6所示，但是破坏引起的围岩变形由工作面中间巷道和沿空巷道共同承受，受到一定变形的沿空巷道在采取锚杆(索)联合支护及超前棚加强支护后，可以作为进风巷使用，安全风险居中。

图6 工作面过空巷上覆岩层结构示意图

因此，从安全风险角度分析，留大煤柱安全风险最低，“W型”布置安全风险居中，无煤柱护巷围岩变形较大，安全风险高。

3.2 巷道围岩控制效果分析

应用FLAC3D数值模拟软件建立模型，对上述3种方案下的巷道围岩变形情况进行模拟分析。模型尺寸为200 m×270 m×71 m(长×宽×高)，模型顶部为自由边界，施加10.25 MPa垂直应力；两侧施加水平约束，底部施加垂直约束。采用摩尔-库伦准则描述岩石的破坏，工作面模型和各岩层岩石力学参数分别如图7和表1所示。

图7 模型三维示意图

表1 岩石力学参数表

巷道变形模拟结果如图8所示。根据模拟结果可以看出，留大煤柱护巷、工作面过空巷布置和传统无煤柱布置巷道变形量依次增加。其中，大煤柱护巷巷道顶底板移近量为282 mm，两帮移近量为298 mm；工作面过空巷布置巷道顶底板移近量为342 mm，两帮移近量为368 mm；传统无煤柱护巷巷道顶底板移近量为355 mm，两帮移近量为375 mm。因此，从巷道围岩控制效果的角度来看，留设大煤柱巷道最容易维护，工作面过空巷布置次之，传统无煤柱巷道最难维护。

图8 巷道变形模拟结果

综上，为确保方案安全经济可靠，确定在工程实践中采用工作面过空巷巷道布置方案，通过监测沿空留巷变形情况，来进一步研究无煤柱护巷的可行性。

4 工程实践

在高河能源W1319工作面按照工作面过空巷方案布置巷道，回采过程中重点监测巷道表面位移，通过分析巷道围岩变形为高河煤矿无煤柱开采技术提供实践支撑。

4.1 巷道变形情况分析

在沿空留巷和回风巷内每间隔5 m布置表面位移测站，每天对巷道顶底板及两帮的移近量进行观测，选取回采进尺45～315 m区间的观测数据进行统计分析，结果分别如图9、图10所示。可以看出，沿空留巷在推进至110 m处顶底板移近量最大为447 mm，在推进至115 m处两帮移近量最大为1145 mm，巷道第一次出现锚杆和锚索绷断、柔模包倾斜和破包、底鼓等现象出现在回采进尺120～130 m处。

分析认为，工作面过空巷巷道布置方案中沿空留巷受二次采动影响和工作面顶板来压影响，顶底板最大移近量447 mm，两帮最大移近量1145 mm，围岩变形量处于可控范围之内，沿空留巷整体留巷质量较好，可以在无煤柱护巷中复用。