煤矿工作面沿空留巷支护技术方案的设计及应用

王 华

（晋能控股煤业集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司，山西 朔州 038300）

引言

沿空留巷是将上区段工作面的一条回采巷道保留下来作为下区段工作面回采巷道使用的一项技术，其具有取消区段煤柱、提高资源采出率、减少巷道掘进量、缓解采掘接替矛盾、避免孤岛工作面等优点，是煤炭资源绿色、安全和高效开采的一种技术。长期以来，国内外不少学者分别从技术、理论等方向对沿空留巷技术作了大量研究，促使沿空留巷技术快速发展。巷旁支护经历了矸石墙、木垛、密集支柱、充填墙、砌块墙无巷旁支护的发展；巷内支护经历了木棚、工字钢梯形支架、单体支柱结合顶梁网、锚梁网索支护的发展[1-3]。在沿空留巷理论方面，袁亮等建立了沿空留巷围岩“大小”结构模型，探讨了留巷围岩稳定性控制关键技术；何满潮等提出了沿空切顶成巷无煤柱开采方法，并研制出双向聚能爆破结合巷内加强联合支护的切顶技术。以上成果从技术上和理论上都取得较好的发展和应用，本文以晋能控股煤业集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司81505工作面皮带巷为研究对象，对沿空留巷支护方案进行优化设计，为81505工作面皮带巷沿空留巷现场的施工提供技术方案。

1 工程概况

1.1 矿井概况

晋能控股煤业集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司位于怀仁县云中镇，矿井井田面积为12.207 9 km2，矿井保有储量为16 608万t，设计可采储量为9 345.4万t，服务年限为55年。当前主要开采5号煤层，瓦斯等级为高瓦斯，水文地质类型为中等，自燃倾向性为容易自燃。矿井开拓方式为斜井、立井混合开拓，井筒数量为4个，主要运输方式为斜井强力皮带，辅助运输为胶轮车运输，矿井生产布局为一井一面，综采采用走向长壁后退式综采放顶煤工作面，工作面顶板管理为全部垮落法，综采机械化程度、综掘机械化程度均达到100%。

1.2 工作面具体条件

虎龙沟煤矿81505工作面所采煤层为5号煤层，煤层结构简单，属于稳定煤层。5号煤层倾角在2°～5°，平均倾角为3°；煤层厚度为1.45～2.23 m，平均厚度约1.78 m，局部煤层变薄，厚度为0.40～0.50 m。预测81505工作面掘进期间瓦斯绝对涌出量为0.5 m3/min，煤层有煤尘爆炸性，爆炸性指数19.03%，自燃倾向性为2级，属自燃煤层。当前5号煤层的开采变现接替困难，针对这一情况，在81505工作面皮带巷进行高水材料巷旁充填沿空留巷技术的开采。针对81505工作面皮带巷沿空留巷原支护巷道变形严重、支护困难的问题，对沿空留巷支护技术方案进行了优化设计，并进行实践应用。

2 巷道原支护方式

81505工作面皮带巷属半煤岩巷道，沿煤层顶板掘进，顶板采用钢带、锚杆和锚索联合支护，锚杆采用Φ20 mm×2 200 mm圆钢锚杆，间排距800 mm×1 000 mm。锚索规格为Φ17.8 mm×5 400 mm，按两排花型布置，间排距为4 000 mm×2 200 mm；巷道两帮采用Φ20 mm×1 800 mm螺纹钢锚杆，按两排三花布置，间排距为1 500 mm×1 200 mm，每根螺纹钢配套使用两支树脂药卷，上部为CK2355、下部为K2355，最上一排锚杆距顶板500 mm。

3 沿空留巷巷旁充填体参数设计

针对81505工作面皮带巷的地质特征，对沿空留巷巷旁充填体参数进行优化设计。高水速凝材料水灰比确定为1.5∶1，此水灰比条件下高水充填材料峰值抗压强度为10.4 MPa；高水速凝材料作为巷旁充填体全部置于采空区，充填体长、高、宽设计为3.2 m×2.0 m×1.6 m。

采用对拉锚杆、梯子梁、钢筋网进行支护，增加充填体的承载能力和变形能力[4]。对拉锚杆间排距为750 mm×800 mm，最下面一根距离底板200 mm，最上面一根距离顶板300 mm，对拉锚杆采用规格Φ20 mm×1 800 mm的螺纹钢材料制作。采用Φ14 mm圆钢焊制的钢筋梯子梁，托盘规格为120 mm×120 mm×10 mm。充填体外部铺钢筋网，钢筋网采用Φ6.0 mm钢筋焊接加工而成，规格为1 400 mm×1 000 mm，网孔规格为100 mm×100 mm。沿空留巷巷旁充填体加固支护情况如图1所示。

图1 沿空留巷巷旁充填体加固支护布置示意图（单位：mm）

4 加强支护方案优化设计

4.1 巷内加强支护方案

81505工作面皮带巷最初掘进作业施工时没有考虑到沿空留巷开采方案，因此巷道支护方案的支护强度不高，必须进行补强支护。非采煤帮采用Φ20 mm×2 200 mm螺纹钢锚杆配合Φ14 mm钢筋自行焊制的钢筋梯子梁进行补强支护，采用两排三花布置，间排距1 500 mm×1 450 mm，最上一排锚杆距顶板650 mm。靠近回采帮顶板采用Φ17.8 mm×5 400 mm锚索补强支护，每排1根，排距2 000 mm，皮带巷补强支护布置情况如图2所示。

图2 81505工作面皮带巷补强支护图（单位：mm）

4.2 充填区顶板支护方案

在端头液压支架沿顶板铺设双层菱形金属网，采用锚杆加固的方式对充填区顶板进行加固，先推刮板输送机后移架[5]。每割一刀煤打一排3根锚杆，第一排锚杆距支架前梁端不大于0.5 m，锚杆规格220 mm×2 200 mm，充填区上方加强支护情况见图3。

图3 充填区上方加强支护示意图（单位：mm）

若巷道顶板在较好的情况下移架后能保持充填区内顶板不破碎、不离层，则可以在液压支架后方设置锚杆。

4.3 采空区挡矸方案

采用单体液压支柱配合铰接顶梁+菱形金属网进行挡矸，具体方案如下：单体液压支柱排距和柱距为300 mm×500 mm，采用两排单体液压支柱配合铰接顶梁支护，在外侧铺设菱形金属网，可以起到防止矸石进入充填区域的目的。采空区挡矸加强支护情况如图4所示。

图4 留巷段挡矸加强支护示意图（单位：mm）

4.4 留巷段加强支护技术与方案

81505工作面回采及皮带巷留巷期间，工作面巷道顶板岩层活动非常剧烈，针对这一情况，必须采用两根单体液压支柱+π型梁配套加强支护[6]，单体液压支柱排距和柱距为800 mm×2 100 mm，边柱距两帮的距离分别为500 mm、1 000 mm。

5 支护效果

虎龙沟煤矿81505工作面皮带巷沿空留巷采用以上沿空留巷充填体材料参数、留巷内加强支护、充填区域顶板支护、采空区挡矸及留巷段加强支护的方案进行优化设计后，在皮带巷设置了若干测点（每30 m设1个），对皮带巷两帮及顶底板变形量情况进行监测。

通过对皮带巷两帮及顶底板变形量的数据分析可知，在81505工作面回采及留巷期间，在皮带巷留巷后，该巷道两帮移近量稳定在106 mm，顶底板移近量稳定在131 mm，巷道变形控制在许可范围之内，满足了安全生产的要求。