贾家沟煤矿6107工作面沿空留巷技术应用

2021-09-03霍和平任建伟

同煤科技 2021年4期

霍和平,任建伟,赵磊

（山西吕梁离石贾家沟煤业有限公司山西吕梁033000）

0 引言

无煤柱开采技术凭借高煤炭资源回收率和低巷道掘进率等优点，近年来在我国得以广泛应用[1]。但是，无煤柱开采技术虽能有效缓解矿井采掘接替紧张的难题，也存在诸多技术难题，例如施工效率低和设备成本高等[2,3]。对此，诸多学者、专家和矿山科技工作者进行了大量的研究，取得了许多突破性的研究成果，极大地推动了无煤柱开采技术的发展和应用。袁存发基于对8201无煤柱工作面所存在技术难题的分析，提出了顶板切缝卸压，同时采用“柔模浇筑+锚索吊棚+桁架锚索”联合支护技术，有效控制了沿空巷道围岩变形[4]。宋时轮通过对1218无煤柱沿空巷道原支护存在的问题进行分析，对支护参数进行了优化设计[5]。何满潮针对无煤柱工作面沿空留巷存在的技术难题，提出进行切顶卸压，并采用“恒阻大变形锚索+临时支护”联合加强支护，显著提高了沿空巷道顶板稳定性[6]。本文基于上述研究成果，以贾家沟煤矿6107无煤柱综采工作面沿空留巷为背景，对无煤柱沿空留巷关键技术在该工作面的应用进行研究，为类似工程条件矿井采用无煤柱沿空留巷技术提供借鉴和参考。

1 工程概况

贾家沟煤矿6#煤层为主采煤层，煤层厚度3.04 m～4.26 m，平均厚度3.65 m；煤层倾角3°～5°，平均倾角4°；煤层结构简单，赋存稳定，为全区可采煤层。煤层直接顶为砂质泥岩，平均厚度2.25 m；基本顶为细砂岩，平均厚度7.36 m；直接底为砂质泥岩，平均厚度2.04 m；基本底为细砂岩和砂质泥岩互层，平均厚度12.17 m。6107运输顺槽位于六采区，6107运输顺槽沿6#煤底板掘进，巷道北侧为6107综采工作面（正在回采），南侧为6109综采工作面（计划开采），西侧为采区边界煤柱，东侧依次为六采区回风大巷、六采区轨道大巷和六采区胶带大巷，6107综采工作面平面布置情况如图1所示。

图1 6107综采工作面平面布置图

为了提高煤炭资源回采率，缓解工作面采掘接替紧张的问题，矿方决定在6107综采工作面回采至距6109综采工作面切眼后5 m处，开始对6107运输顺槽进行沿空留巷作业，6107运输顺槽沿空留巷段设计长度为800 m，巷道设计断面为3 900 mm×2 300 mm（宽×高）的矩形断面。

2 沿空留巷围岩控制技术

2.1 无煤柱沿空留巷存在的技术难题

6107工作面回采所产生的回采应力对工作面及超前顶板产生影响的同时沿横向传递，极易造成工作面顺槽发生较大变形而失稳破坏[1-3]。传统综采工作面顶板随工作面推进而直接垮落，充填采空区，而无煤柱综采工作面沿空留巷需在工作面回采的同时将顺槽保留，以便于在下一个工作面回采时复用，此时受工作面顶板应力传递的影响，沿空巷道采空区侧顶板极易发生剪切破断而引发巷道大面积冒顶事故[4]。此外，架设工字钢棚、单体支柱和铺设金属网等传统挡矸措施极易发生变形和断裂现象，且不能有效隔绝采空区有毒有害气体侵入沿空巷道[5,6]。因此，如何有效维护沿空巷道围岩稳定和阻断采空区有毒有害气体的侵入是决定无煤柱沿空留巷能否成功的关键。

2.2 切顶卸压

切顶卸压技术是指利用聚能爆破技术将采空区顶板按照设定的角度和深度进行预裂爆破而实现张拉断裂，进而达到减小沿空巷道采空区顶板悬臂长度和降低沿空巷道顶板应力集中程度的目的。根据该矿6103综采工作面切顶卸压施工经验，超前6107工作面60 m施工预裂切缝钻孔，切缝卸压钻孔布置情况如图2所示。切缝钻孔直径为50 mm，孔深8 000 mm，钻孔与巷道顶板呈80°夹角，钻孔间距为800 mm，采用“3-2-0-1”的装药结构，超前工作面10 m进行顺序起爆对巷道采空区侧顶板进行预裂切缝卸压。

图2 6107运输顺槽预裂切缝卸压钻孔剖面示意图

2.3 采空区巷帮挡矸支护及密闭施工

（1）U型钢支架

36U型钢支架安装如图2所示。先将φ4.5 mm钢筋经纬网铺高强纤维布，每隔300 mm用14#双股铁丝单排扣连接成挡矸金属网。挡矸金属网搭接宽度及与顶板锚网的搭接压茬宽度为100 mm～200 mm，每隔200 mm用14#双股铁丝双排扣连接成一整体。先挂铺挡矸金属网，然后进行U型钢支架支护。U型钢支架分2段，由两副36U卡兰连接使用，支护使用时搭接长度为500 mm，顶梁为1 000 mm长11#工字钢“一梁两柱”梁式支护，U型钢支架“中-中”间距为500 mm。紧跟工作面的架后区域及时进行巷帮挡矸防护及顶板支护支撑，防止矸石垮落时窜入留巷内。支护工作随工作面推进而前进，U型钢支架端头距工作面液压支架架后边缘距离不大于一个U型钢支架间距（500 mm），若移架前和端头支护移动前没有安装到位，则不能进行移架和前移端头支护。

沿巷道中心线偏采空区侧1 650 mm为巷旁支护的内边线，沿巷旁支护的内边线布置一排U型钢支架作为巷旁支护，U型钢支架“中-中”间距为500 mm，顶梁为1 000 mm长11#工字钢，工字钢卡在U型钢上段焊接的槽钢卡口内，采用“一梁两柱”的顶板支护方式。

（2）密闭采空区

密闭采空区的材料为高强纤维布及高分子材料。高强纤维布具有高抗拉强度、良好的阻燃、抗静电性能。高分子材料具有粘附力强、固化物本体抗拉强度高、拉伸变形大、耐久性好、顶立面喷涂不流挂、表干和硬化时间快、绝对阻燃和抗静电等优点。高分子材料由A（特种水性乳液）、B（各种矿物粉体材料）两组分组成，使用比例为1:1～2:1。

U型钢支架架设一定距离（≤10 m）后，确保金属网及高强纤维布完全封住采空区且四周搭接良好后，将高分子材料均匀喷涂至挡矸金属网及高强纤维布表层，喷层厚度为10 mm～100 mm。

2.4 回采期间超前支护及滞后加强支护

（1）超前支护

6107工作面采煤推进前在6107运输顺槽超前采煤工作面大于20 m范围内进行超前支护，当巷道变形严重时，必须加长超前支护长度。支护方式：使用三排3 200 mmπ型梁配合DW-28单体液压支柱一梁三柱顺巷道方向支护，π型梁梁头到两端支柱中心距500 mm，每梁其余单体液压柱中心距1 100 mm，相邻梁头间距100 mm；单体液压支柱工作面下煤帮支柱与煤壁间距为300 mm；工作面上（采面）煤帮单体液压支柱与中间排单体液压支柱的中心距为1 000 mm；工作面上（采面）煤帮单体液压支柱与煤帮间距为300 mm。工作面内排头支架（端头支护）与运输顺槽超前支护π型梁端距离不大于500 mm。

（2）滞后加强支护

工作面采煤推进之后紧跟架后对顶板进行滞后加强支护与U型钢支架支护平行作业。支护方式为：单体液压支柱配合π(3 200 mm)型钢梁组成的梁式支护，一梁三柱，沿巷道走向布置，梁距帮为1 000 mm，柱距为1 100 mm，π型梁梁头到两端支柱中心距500 mm，布置3排，滞后加强支护断面如图3所示。滞后加强支护区域位于工作面后方大于100 m范围，滞后支护的范围及支设单体支柱排数根据施工期间矿压观测结果调整。

图3 滞后加强支护设计图

3 工业性试验

为了对6107运输顺槽采用无煤柱沿空留巷后巷道表面变形进行分析，从6107工作面留巷开始，采用“十字布点法”在工作面回采50 m时布置1个测站，依次每隔100 m布置1个测站，共布置3个测站，依次编号为1#、2#和3#测站，对巷道表面位移情况进行现场监测记录，结果如图4所示（以2#测站观测数据为例）。

由图4可知，随6107工作面推进，6107运输顺槽留巷段不断延长，沿空巷道顶底板和两帮移近量呈现出现快速增大后趋于稳定的变化规律，具体表现为：滞后工作面煤壁0 m～75 m范围内，沿空巷道顶底板和两帮移近量呈快速增长趋势，在滞后工作面煤壁75 m时，顶底板和两帮移近量分别达到92 mm和69 mm；滞后工作面煤壁80 m以后，沿空巷道顶底板和两帮移近量基本趋于稳定，顶底板和两帮移近量最大值分别为102 mm和80 mm。