端氏煤矿沿空留巷实践应用分析

2023-03-17畅维新

山西焦煤科技 2023年1期

畅维新，樊帆

(沁和能源集团有限公司技术部，山西晋城 048200)

沿空留巷是在工作面回采后，将本工作面的回采巷道保留下来，供下一工作面使用。沿空留巷取消了区段煤柱，实现了无煤柱连续开采，降低了巷道掘进率，且实现Y型通风后，有效解决了上隅角瓦斯超限问题[1-2]. 我国在20世纪50年代，已经开始发展沿空留巷技术，经过长期的应用和发展，已经形成了成熟的技术体系。目前，常用的沿空留巷工艺主要为巷帮充填沿空留巷[3]和“110”工法沿空留巷，在实际施工过程中，由于地质条件差异和施工水平影响，两种沿空留巷工艺在每个矿井的适应性存在差异[4-5]. 本文以端氏煤矿沿空留巷试验为工程背景，对比分析柔模混凝土充填沿空留巷和“110”工法沿空留巷工艺推广效果，为后续工作面巷道布置提供思路。

1 工程概况

端氏煤矿是沁和能源集团有限公司的骨干矿井，井田面积9.403 1 km2，矿井生产能力120万t/年，属于煤与瓦斯突出矿井。目前开采3#煤层，煤层平均厚度5.33 m，埋深在250～740 m，为近水平煤层，采用一次采全高采煤方法。3#煤层顶底板情况见表1.

井田呈长条状，为便于运输和通风管理，大巷布置在井田中央位置，工作面布置在大巷两侧。实际开采时，为解决工作面瓦斯超限及采掘接续的问题，每个工作面需掘进4条顺槽，分别为两条进风巷和两条回风巷，巷道掘进量大，且工作面之间留设40 m煤柱，无法回收利用，造成资源浪费。为解决以上问题，实现矿井高效生产，依次引进柔模混凝土充填沿空留巷工艺和“110”工法大采高沿空留巷工艺，极大地减少了巷道掘进量，以下分别对比两种沿空留巷的施工工艺和试验效果。

表1 3#煤层顶底板情况表

2 沿空留巷工艺应用

2.1 柔模充填沿空留巷

柔模充填沿空留巷技术主要是紧跟工作面回采，在采空区与巷道之间浇筑一道密闭混凝土连续墙，弥补回采造成的巷道一帮的缺失，与原有巷道内的支护形成一个整体，共同承担回采动压，维护巷道稳定。留巷不仅可以作为下一工作面的顺槽，而且能够满足本工作面回采过程中的防水、防火、瓦斯治理等特殊要求[6-7]. 在3111工作面首先采用柔模充填沿空留巷工艺。柔模混凝土充填沿空留巷工艺图见图1.

图1 柔模混凝土充填沿空留巷工艺图

主要分为以下工序：

1) 巷道加强支护。

在工作面前方30 m范围内进行超前支护，采用4排单体柱配铰接顶梁进行支护，铰接梁长1 000 mm，采用一梁一柱支撑，单体柱在铰接梁中部；4排支护排距1 400 mm.

切顶锚索沿3111胶带顺槽顶板直线布置一排，其锚索连线平行于巷道中心线，距工作面煤壁500 mm，锚索排距900 mm，采用d21.8 mm×8 300 mm型锚索。

2) 顶板深部预裂爆破。

采用炸药爆破，使顶板按照设计角度形成人工弱面，回采时留巷区域顶板沿弱面方向垮落，减弱留巷区域顶板与基本顶的应力联系，从而使巷道留巷段矿压显现较小，易于维护。炮孔沿辅助巷顶板上设计的顶板预裂线单排布置，钻孔间距调整为1.5 m，钻孔d75 mm，深度45 m，钻孔连线平行于巷道中心线，距巷道中心线1 750 mm，倾角80°，偏向3111工作面方向。开孔口位置躲开锚索、锚杆托盘，将辅助巷顶板深处岩层沿顶板预裂线弱化成一道缝隙，工作面推过后，采空区顶板在矿山压力作用下沿顶板预裂线断裂、冒落。

3) 柔模充填混凝土墙施工。

准备砌筑巷旁支护墙时，割煤后，在端头架1#、2#液压支架后方安装护巷支架，同时在支架后方补加圆木支撑顶板，并补设单体柱，两侧单体柱之间为巷旁支护墙留设空间。巷旁支护墙厚度1.5 m，高度为3.5 m，混凝土强度等级为C30.

利用留设空间进行柔模充填混凝土墙施工，巷旁支护墙施工工艺流程见图2.

图2 柔模充填混凝土墙施工工艺图

4) 瓦斯治理。

为解决沿空留巷区域瓦斯积聚问题，在沿空留巷区域布置瓦斯抽放管，分别为采空区上部钻孔抽放管和巷旁支护墙瓦斯抽放管。沿3111胶带顺槽顶板施工一排钻孔作为采空区上部瓦斯抽放管，钻孔d94 mm，与巷道中心线距离800 mm，孔深5 m，钻孔角度60°，钻孔间距15 m；充填模袋上留设瓦斯抽放孔，瓦斯抽放孔d300 mm，距顶板1.5 m，挂设模袋后，安装瓦斯抽放管，抽放管长度1 800 mm，由两部分组成，钢管长度1.2 m，胶管长度0.6 m，瓦斯抽放管间距15 m.

2.2 “110”工法大采高沿空留巷

3114工作面作为3111回采工作面接续面，巷道回采时，采用“110”工法大采高沿空留巷工艺，工序主要分为：恒阻锚索加强支护、顶板预裂爆破、巷道临时支护、挡矸墙构建。

1) 恒阻锚索加强支护。

靠近切缝侧恒阻大变形锚索与水平方向垂直布设，巷道顶板侧恒阻锚索垂直于巷道顶板布设，设计恒阻锚索15.3 m. 锚索施工断面图见图3，第一列恒阻锚索沿巷道走向采用20#槽钢连接，第二、三、四列恒阻锚索采用20#槽钢垂直巷道连接。

图3 加强支护施工断面图

2) 顶板预裂爆破。

采用双向聚能爆破预裂技术，切缝钻孔距煤帮100 mm，切缝孔间距设计为500 mm，深度设计为12 m，与垂直方向夹角为12°. 由于顶板岩层强度较高，除施工切缝孔以外，还需施工弱化爆破孔，预裂切缝孔深度设计分别为20 m和25 m；与垂直方向分别为20°和30°.

3) 巷道临时支护。

工作面回采后，在架后0～300 m，顶板需要临时加强支护。架后临时支护主要采用单体液压支柱配合槽钢滞后支护，单体上部顶在槽钢处。为了控制留巷底鼓、单体支柱钻底及挡矸U型钢侧倾，可以将单体支柱下支设工字钢底梁，巷道副帮侧两列单体支柱共用一对1.5 m长的“T”型工字钢底梁，巷道切缝侧的3列单体支柱共用一对2.1 m长的“T”型工字钢底梁，架后临时支护区共布置5列单体。

4) 挡矸墙构建及瓦斯防治。

为了防止采空区的矸石蹿入巷道，同时需要挡矸支护。采用金属网+钢筋网+可伸缩U型钢进行联合挡矸支护，可伸缩U型钢排距500 mm，风筒布布设在矸石与金属网之间起到防止漏风作用。为了防止采空区瓦斯溢出，导致留巷区域瓦斯超限，挡矸墙上端菱形金属网、风筒布、钢筋网均超出巷高30 mm，与顶板钢筋网搭接，风筒布之间搭接长度应≥200 mm，从而保证风筒布封堵的密实性，对整个挡矸墙进行喷浆处理，喷浆材料为柔性高分子材料。针对U型钢两侧等关键位置加强喷浆处理，保证U型钢两侧封堵密实性。

3 现场留巷效果对比及分析

3.1 巷道矿压显现对比

留巷段的矿压显现情况是比较沿空留巷效果的一个重要依据，现场对两种留巷工艺下的巷道变形情况进行调研，见图4.

图4 两种留巷工艺矿压显现对比图

采用柔模混凝土充填时，巷道顶板下沉严重，多处区域鼓包，支护体失效，单体柱压弯、漏液，底板严重底鼓，帮部混凝土墙开裂，巷道整体变形严重，复用难度较高。

而采用“110”工法沿空留巷时，巷道整体变形较小，顶底板、两帮与掘巷期间差异不大，运输系统和辅助系统未明显受到工作面回采后的滞后矿压影响。

3.2 应用效果差异分析

两种无煤柱留巷技术的要点都在于切顶卸压，通过切顶卸压技术降低留巷区域应力集中程度，从而减小留巷段的矿压显现程度。两种无煤柱沿空留巷切顶参数对比表见表2.

表2 切顶卸压关键参数对比表

分别对切顶孔深度、孔距、装药量、封孔长度4种参数进行对比：

1) 切顶孔深度。柔模充填沿空留巷采用45 m切顶孔，从理论角度考虑，其卸压效果和矸石充填效果优于“110”工法沿空留巷的14 m切顶孔，但从现场操作性考虑，45 m切顶孔现场操作难度较大，无法达到设计要求角度(长距离钻进，钻头偏离角度较大)。

2) 孔距。若切顶孔施工均能达到设计角度，孔距为0.5 m时，切顶孔爆破后更易导通，形成切顶线，但现场施工时，45 m切顶孔很难达到设计角度，孔距为1.5 m时，爆破后切顶孔很难导通。

3) 装药量。考虑切顶深度和孔距，柔模充填现场施工很难达到设计要求(角度偏差)，则炸药存在较大的浪费。

4) 封孔长度。柔模充填沿空留巷切顶孔封孔长度达到17 m，则切顶爆破区域位于切顶孔17 m以上，考虑现场施工钻孔角度偏差及钻孔间距较大，在切顶孔17 m以上区域爆破，难以形成有效切缝，更易对巷道造成工程扰动，造成巷道顶板破坏。

综上考虑，相比柔模充填沿空留巷切顶卸压方案，“110”工法沿空留巷现场可操作性更强，更易达到设计要求。

4 技术经济对比

4.1 经济对比

3111工作面留巷长度为893 m，费用统计：筑模费用370万元、加强支护费用226万元、辅助材料费192万元，人员工资194万元，技术服务费65万元，共计1 047万元，投资费用为1.17万元/m.

3114工作面共施工长度1 023 m，不可复用材料及施工费用共1 272万元，可复用材料费用991万元，矿压监测费用100万元，技术服务费220万元，共计2 583万元，投资费用为2.52万元/m，后续工作面推广使用时，投资费用为1.24万元/m.

从经济上对比，两种沿空留巷工艺每米投资费用差异不大，考虑到“110”工法沿空留巷在端氏煤矿持续推广，施工效率及留巷参数仍有优化空间，每米投资费用仍有较大的降低空间。

4.2 技术对比

柔模充填沿空留巷工序和设备更复杂，需设置挡矸支架、混凝土搅拌泵，构筑柔模前需挂网，而“110工法”的核心工序主要为切顶卸压、恒阻锚索补强、挡矸架架设、留巷区域补强。其中，恒阻锚索补强可在巷道掘进后进行施工，或直接将原有掘进巷道支护锚索更换为恒阻锚索，与生产冲突较小；挡矸架架设速度也较快，不受回采速度影响；而柔模充填沿空留巷，构建柔模挡矸墙时，需对挡矸墙进行养护，若养护时间不足，挡矸墙强度将难以达到设计要求，实际生产中，回采速度较快，挡矸墙的养护很难达到养护时间。

4.3 问题及建议

由以上分析可知，切顶卸压效果及现场施工情况，“110”工法沿空留巷均优于柔模充填沿空留巷，对于后续回采巷道，考虑端氏煤矿现有条件，建议继续采用“110”工法沿空留巷。但由于端氏煤矿为煤与瓦斯突出矿井，采用沿空留巷技术后，留巷段瓦斯治理难度较高，后续施工中，需要掌握采空区瓦斯运移规律，对采空区瓦斯进行精准治理，提高瓦斯治理效果。