祥升煤矿6 号煤柔模混凝土沿空留巷技术研究与应用

2022-01-20吕龙

煤矿现代化 2022年1期

吕龙

（山西寿阳潞阳祥升煤业有限公司，山西寿阳 045400）

任何一种沿空留巷技术的工业应用，都要针对具体的煤层赋存条件、开采技术条件等各种相关影响因素进行严格的计算和各项参数设计，事先要有稳定可靠的技术预案保障[1-4]；因此，本着安全第一、可靠高效的原则，设计适用于上覆采空区近距离煤层的沿空留巷技术与工艺，是祥升煤业6 号煤层运用沿空留巷回采工艺时面临的重要问题，需要认真谨慎、科学合理地选择和设计沿空留巷技术方案，达到矿井安全高效开采的要求。

1 工程背景

祥升煤业6202 工作面开采6 号煤层，煤层厚度0.80～2.31 m，平均1.80 m。工作面宽度为200 m，煤层埋深250 m。6 号煤层工作面位于上方3 号煤层采空区下部，与3 号煤层的层间距为7.05～13.16 m，平均9.61 m，顶板主要为泥岩、砂质泥岩或粉砂岩。

2 工作面开采数值模拟

2.1 模型建立

随着计算机技术的发展，FLAC3D等数值模拟软件也越来越多地被应用到采场及巷道围岩控制研究中，在求解采矿工程问题中得到成功且广泛的应用。工作面煤层开采数值模拟力学示意图如图1 所示。

图1 数值模型计算力学模型示意图

2.2 模拟结果与分析

由图2 所示的6 号煤层开采后采场围岩塑性区分布图可知，上部3 号煤层开采后，6 号煤层工作面处于上部3 号煤层采空区下方的应力降低区，有利于该工作面回采巷道及采场顶板岩层控制。但由于2 层煤之间夹有厚且坚硬的粉砂岩层，因此，6 号煤层工作面可形成稳定的基本顶岩层结构。6 号煤层所在深度的原岩应力约为7 MPa，3 号煤层采空区的垂直应力为1.97 MPa，6 号煤层顶板的垂直应力约为4 MPa，仅为原岩应力的57 %。6 号煤层底板的垂直应力约为5 MPa，为原岩应力的71%。

图2 3 号煤层开采后采场围岩垂直应力云图

分析图3 所示的6 号煤层开采后采场围岩垂直应力俯视图可知，6 号煤层未开采前处于3 号煤层采空区下方的应力降低区，煤层受到的垂直应力较小。但由于6 号煤层顶板粉砂岩层能够形成稳定的基本顶结构，6 号煤层工作面前方也存在超前支撑压力影响，尤其是在工作面端部及回采巷道帮部受回采超前影响较大，该部位的垂直应力约为11 MPa，为原岩应力的1.57 倍。6 号煤层回采后，不仅其自身顶板岩层结构垮落失稳，上方3 号煤层已垮落的顶板岩层结构也会进一步垮落，因此造成6 号煤层工作面采空区周围出现较大的应力集中区，采空区周围应力集中区的垂直应力峰值可达15.4 MPa，为原岩应力的2.2 倍。

图3 6 号煤层开采后采场围岩垂直应力俯视图

3 沿空留巷方案设计

3.1 支护方案设计

1）掘巷期间支护设计。顶板采用“锚杆+钢带+钢筋网+ 强力锚索”的联合支护方式，锚杆直径20 mm，长2 400 mm，每排7 根，间排距为900 mm×900 mm；锚索直径21.8 mm，长度6 300 mm，每排3 根，间排距为1800 mm×1800 mm。两帮采用“锚杆+托盘+菱形金属网”支护方式护帮，两帮锚杆直径为20 mm，长度2 000 mm，非采帮选用螺纹钢锚杆，每排4 根，间距排800 mm×900 mm，而采帮选用玻璃钢锚杆，每排3 根，间排距1 000 mm×900 mm。

2）留巷期间支护设计。沿空留巷是在工作面原有巷道与采空区之间构筑巷旁墙体，将原有巷道维护好以便二次利用，由于受强烈采动影响，巷道围岩变形速度快，围岩变形量和破碎区大，为了确保留巷效果，加强顶板控制，减少下沉量，控制围岩大变形以满足巷道二次复用的要求，在掘巷期间一次支护的基础上，回采前需进行留巷巷内加强支护。

本方案设计在留巷顶板一次支护未施加锚索的2 排锚杆之间，施工1 根强力锚索加强支护（如图4所示），从而可有效控制留巷顶板围岩的完整性。加强锚索直径为21.8 mm，长度为6 300 mm，每排1根，排距1 800 mm。

图4 巷道支护平面图

3.2 柔模混凝土留巷施工

在对比分析当前多种留巷方法的基础上，本次设计选择快速高效且性能优良的堆喷混凝土工艺构筑沿空留巷巷旁墙体，实现6202 工作面无煤柱开采。

1）巷旁墙体施工位置选择。沿空巷道构筑巷旁墙体施工的典型状况是巷道表面平整且多为矩形断面、已施工锚网索支护、一侧靠近实体煤或采空区、底板浅部岩层松软（如底煤、泥岩等），对应采取的高效堆喷快速构筑混凝土墙的施工技术方法为：施工巷旁墙体位置可以选择在超前工作面贴近实体煤帮，也可以选择在工作面支架后方靠近采空区位置。墙体上方在巷道掘出后已施工锚网索支护，目的是使原有支护的顶板锚杆索外露端头及钢带、钢筋梯子梁进入堆喷形成的混凝土墙体内，增加墙体的稳定性及巷道围岩的整体性[5-6]。

根据6202 工作面的工程技术条件，巷旁墙体厚度设计为1.5 m，沿巷道宽和高全断面堆喷施工成形。当超前工作面贴近实体煤帮构筑巷旁墙体时，为了不影响工作面通风，先超前工作面按照间距2 m，间隔构筑长×宽×高=2 m×1.5 m×3 m 的墙体（支撑柱），在工作面支架后方及时二次堆喷混凝土补齐墙体。当在工作面支架后方靠近采空区位置构筑巷旁墙体时，可一次连续堆喷成墙。

2）清理巷道底板。施工墙体位置确定后，当巷道底板为煤层、泥岩等软岩时，必须清理墙体位置的底板软岩浮渣，使墙体落在实底上，保证墙体的整体稳定性。

3）采空侧临时挡板设置。当选择在超前工作面位置贴近实体煤施工墙体时，可不设置零时挡板。当选择在工作面端头支架后方靠近采空区施工墙体时，为了使靠近采空侧的墙体成形规整，因地制宜利用井下废弃木柱、木板、风筒布、废旧皮带等材料，在靠近采空侧沿巷道全断面设置一个简易的临时挡板，该临时挡板在堆喷施工巷旁墙体过程中发挥阻挡作用，目的是使靠近采空侧的巷旁墙体成形规整。

4）堆喷材料现场准备。临时挡板设置好、堆喷施工巷旁墙体前，现场确保堆喷所需设备和材料准备到位且充足。

5）堆喷施工巷旁墙体。

上述准备工作完成后，开始堆喷施工巷旁墙体。

4 应用效果分析

4.1 巷道围岩位移变形监测

采用十字点观测法对沿空留巷巷道围岩变形量进行观测，巷道内布置7 个顶底板位移观测仪，分别位于留巷段迎头 30、60、100、150、290、360、430 m。以迎头290 m 处观测点为例，该点巷道围岩变形量见图5，顶底板最大移近量173 mm，两帮变形量最大为140 mm，变形量随时间的推移逐渐趋于稳定。