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(太原理工大學(xué)礦業(yè)學(xué)院、晉城煤業(yè)集團(tuán)鳳凰山煤礦)

晉城煤業(yè)集團(tuán)鳳凰山煤礦15307工作面順槽長度1 400 m，工作面長度176 m，煤層平均傾角6°，煤層均厚2.2 m，為15#煤層。15#煤整體強(qiáng)度高，大部分集中在17～25 MPa之間，平均強(qiáng)度為22.25 MPa，煤層整體性和穩(wěn)定性好。煤層直接頂板為K2石灰?guī)r，平均厚度9.11 m，平均強(qiáng)度116.43 MPa，屬堅(jiān)硬不易冒落頂板。底板為泥巖或鋁質(zhì)泥巖，屬軟質(zhì)巖層。工作面水文地質(zhì)條件簡單，充水源主要為上覆K2石灰?guī)r層間裂隙水及上部小窯采空區(qū)積水下滲，預(yù)計(jì)最大涌水量為90.0 m3/h，正常涌水量為0～8 m3/h。

根據(jù)礦井瓦斯鑒定及鄰近工作面瓦斯檢測結(jié)果，預(yù)計(jì)工作面瓦斯相對涌出量為2.6 m3/min，屬低瓦斯工作面。工作面二氧化碳相對涌出量為1 m3/min。煤塵無爆炸性，為Ⅱ級自燃煤層。

為了提高煤炭回收率、降低開掘率，同時(shí)也為了消除隅角瓦斯積聚或其他保護(hù)煤柱引起的井下災(zāi)害的發(fā)生，決定在15307工作面應(yīng)用沿空留巷技術(shù)。

1 沿空留巷技術(shù)概述

沿空留巷是一種先進(jìn)的護(hù)巷方法，是實(shí)現(xiàn)無煤柱開采的主要方法之一。 無煤柱開采分為兩種類型，一種是在上一區(qū)段回采完畢，采空區(qū)冒落嚴(yán)實(shí)，圍巖活動相對穩(wěn)定后，再沿采空區(qū)和煤體邊緣掘進(jìn)巷道，稱為沿空掘巷。另一種是將已采工作面后方的回采巷道用一定的方法沿采空區(qū)保留下來，作為下一工作面的回采巷道，稱為沿空留巷。

世界一些主要產(chǎn)煤國家為了達(dá)到少掘巷道、增加煤炭資源回收率、增加生產(chǎn)的連續(xù)性和提高礦井經(jīng)濟(jì)效益的目的，而采用往復(fù)式“Z”形開采，前進(jìn)式和后退式的工作面沿空留巷方法以實(shí)現(xiàn)無煤柱開采。對沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)、適用條件、合理支護(hù)形式及新型支護(hù)材料等都進(jìn)行了研究。在這方面做得較多的是前蘇聯(lián)、德國、英國、波蘭等國家。

20世紀(jì)80～90年代，在大力推行綜合機(jī)械化采煤后，隨著采高不斷增大，我國煤礦工作者在引進(jìn)、吸收國外的沿空留巷技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了巷旁充填護(hù)巷技術(shù)，巷內(nèi)多采用U型鋼可縮性金屬支架。20世紀(jì)90年代初期，沿空留巷理論與技術(shù)有了較大的發(fā)展，但由于巷內(nèi)支護(hù)大多為被動支護(hù)，加之巷旁充填技術(shù)還不完善，其支護(hù)技術(shù)難以適應(yīng)大斷面沿空留巷的要求，在90年代中后期，沿空留巷技術(shù)應(yīng)用范圍又呈減少趨勢。

21世紀(jì)以來，隨著錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)的推廣應(yīng)用和巷旁充填技術(shù)的不斷完善，我國有些學(xué)者在厚煤層綜放工作面進(jìn)行了沿空留巷技術(shù)試驗(yàn)研究，如潞安礦務(wù)局常村煤礦S2-6綜放工作面，巷內(nèi)采用錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，巷旁支護(hù)運(yùn)用高水材料充填加上空間錨栓加固網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行綜放大斷面沿空留巷試驗(yàn)，并取得初步成功。

沿空留巷無煤柱煤與瓦斯共采技術(shù)是在采煤工作面回采推進(jìn)的同時(shí)，沿采空區(qū)邊緣人工構(gòu)筑高強(qiáng)支撐體將回采巷道保留下來，形成沿空留巷巷道，作為治理采煤工作面卸壓瓦斯的工作空間，并與采區(qū)巷道構(gòu)成Y型通風(fēng)巷道系統(tǒng)?？烧嬲龑?shí)現(xiàn)無煤柱開采，提高回采率，實(shí)現(xiàn)連續(xù)開采，實(shí)現(xiàn)無煤柱開采，無應(yīng)力集中區(qū),被保護(hù)層得以徹底保護(hù)。解決上隅角瓦斯超限問題。有利于緩解采掘接續(xù)緊張，適應(yīng)工作面快速推進(jìn)要求；改善目前沿空掘巷巷道變形量大、維護(hù)困難的被動局面，有利于工作面的高產(chǎn)高效，提高資源回收率，節(jié)約煤炭回采儲量。

鳳凰山煤礦15307工作面沿空留巷將通過混凝土輸送泵泵送充填材料至工作面留巷處，留設(shè)充填體隔離采空區(qū)并與原巷內(nèi)支護(hù)共同承載形成Y型通風(fēng)巷道系統(tǒng)，其示意圖見圖1。

圖1 通風(fēng)巷道系統(tǒng)示意圖

Y型通風(fēng)適用條件：1) 采高原則上不得大于3.5 m。2) 凈斷面原則上不得小于8 m2，且風(fēng)速不得超限。3) 巷道支護(hù)應(yīng)優(yōu)先選用錨桿支護(hù)，并備有留巷加固處理預(yù)案。4) 區(qū)漏風(fēng)及防止自然發(fā)火應(yīng)有監(jiān)測監(jiān)控措施，并編制防治漏風(fēng)及自然發(fā)火方案。

2 沿空留巷設(shè)計(jì)和實(shí)施

1) Y型通風(fēng)巷道布置。設(shè)計(jì)對15307工作面軌道巷進(jìn)行沿空留巷，沿空留巷作為鄰近15309工作面的軌道巷。

15307沿空留巷Y型通風(fēng)工作面通風(fēng)系統(tǒng)：采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷→15307軌道巷及15307運(yùn)輸巷→15307工作面→15307軌道巷沿空留巷→15309邊界切眼→采區(qū)回風(fēng)巷。

15307沿空留巷Y型通風(fēng)工作面的瓦斯治理措施：15307工作面相對涌出量為2.6 m3/min，屬低瓦斯工作面，工作面瓦斯治理以Y型通風(fēng)風(fēng)排瓦斯為主。

留巷瓦斯治理措施的工作目標(biāo)：Y型通風(fēng)回風(fēng)瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.8%以下，瓦斯抽采率達(dá)60%以上，消除隅角瓦斯積聚等瓦斯安全隱患，實(shí)現(xiàn)無煤柱連續(xù)開采。

2) 沿空留巷充填系統(tǒng)。沿空留巷是隨著采煤工作面的推進(jìn)而延伸，因此，采煤工作面和留巷的連續(xù)性，要求充填材料的輸送必須不間斷。

膏體混凝土充填材料輸送至充填設(shè)備或儲料場采用礦車或膠帶機(jī)，充填泵上料通過400～600 mm小型膠帶機(jī)或40 t刮板機(jī)或絞車，加水拌和后的膏體混凝土充填材料泵送至留巷模板內(nèi)。

充填泵的初次布置位置應(yīng)控制距工作面300 m的范圍內(nèi)。充填泵安裝巷道高度不小于2.65 m。充填泵擺放要平整。臨時(shí)料場必須具有防潮措施。充填工藝示意圖見圖2。

圖2 充填工藝示意圖

3) 沿空留巷工作面平面布置(見圖3)。沿空留巷充填體位置位于15307工作面軌道巷。煤層直接頂板為石灰?guī)r，厚度1.28～17.85 m，平均9.11 m，強(qiáng)度平均116.43 MPa，抗剪強(qiáng)度為3.70 MPa，屬堅(jiān)硬不易冒落頂板。底板為泥巖或鋁質(zhì)泥巖，屬軟質(zhì)巖層。鋁質(zhì)泥巖底板單軸抗壓強(qiáng)度為11.4 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.76 MPa，抗剪強(qiáng)度為2.49 MPa，膨脹率為0.63%。遇水易膨脹變軟。采用沿空留巷技術(shù)時(shí)要及時(shí)陷落留巷采空區(qū)側(cè)的頂板，同時(shí)處理好留巷底板，確保Y型通風(fēng)系統(tǒng)的可靠。

目前，巷道已開始施工，留巷前應(yīng)通過礦壓觀測數(shù)據(jù)，相應(yīng)地制定留巷巷道加固方案，以確保留巷在采動應(yīng)力作用下的穩(wěn)定。

圖3 工作面充填系統(tǒng)布置圖

沿空留巷支護(hù)體的工作阻力靜載荷計(jì)算：

4) 充填體材料強(qiáng)度的選擇與墻體寬度計(jì)算。留巷墻體充填材料的基本組分為水泥、粉煤灰、砂石骨料、復(fù)合外加劑和水，其主體原料均為來源廣泛的地方材料，并利用煤礦電廠發(fā)電產(chǎn)生的粉煤灰。

經(jīng)計(jì)算P值約為42 t/ m2，約0.42 MPa?？紤]到老頂來壓時(shí)下位巖層及充填體的動載系數(shù)為靜載系數(shù)的2～6倍，即0.84～2.52 MPa。而根據(jù)充填體材料的強(qiáng)度試驗(yàn)，其最大承載極限可達(dá)到22 MPa以上，可完全滿足承載要求。

根據(jù)充填材料的最大試驗(yàn)承載極限可達(dá)到 22 MPa，充填墻體寬度經(jīng)工程類比(留巷墻體寬度與采高比1～1.5)及計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，可選擇2.2～2.6 m可滿足承載需要，本次工作面留巷底板為復(fù)合泥巖底板,設(shè)計(jì)充填墻寬2.4 m。

5) 留巷充填方式。15307工作面使用支架ZZ8000/17/32支撐掩護(hù)式液壓支架，SGZ764/400型運(yùn)輸機(jī)，MG250/600-WD型采煤機(jī)；留巷采用ZMC13400/18/29沿空留巷模板支架，每3刀充填一次，一次充填長度1.8 m。

6) 留巷墻體頂板支護(hù)。為提高留巷的穩(wěn)定性，留巷墻體頂板應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)支護(hù)，其支護(hù)方式同巷內(nèi)錨桿支護(hù)技術(shù)參數(shù)。本次工作面留巷頂板為厚層K2石灰?guī)r，礦壓觀測后可進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，采用與留巷同等支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行加固。

7) 充填技術(shù)工藝及充填施工工藝。充填技術(shù)工藝過程為：由地面專門生產(chǎn)線按設(shè)計(jì)配比生產(chǎn)出干混充填材料，以袋裝或?qū)Ｓ眉b箱散裝運(yùn)至井下泵站；用刮板輸送機(jī)或皮帶輸送機(jī)將干混料送至充填泵料斗；在充填泵中加水?dāng)嚢杈鶆蚝蠼?jīng)充填管路泵送至充填模內(nèi)；充填料漿在充填模內(nèi)自流平密實(shí)，自然養(yǎng)護(hù)，待硬化產(chǎn)生一定強(qiáng)度后拆模。充填技術(shù)工藝流程見圖4。

充填施工工藝流程為：

圖4 充填工藝示意圖

材料運(yùn)輸、移架、架后支護(hù)、清理→機(jī)械立模→攪拌輸送→充填→清洗泵、管路。見圖5。

3 沿空留巷效益

1) 直接效益。沿空留巷可以實(shí)現(xiàn)無煤柱開采，少留煤柱 10 m , 按 500元/ t 利稅計(jì)算 , 可增加利稅 2 000 m×10 m×1.5 m×1.4 t / m3×500元/ t = 2 100萬元;每米節(jié)省巷道掘進(jìn)費(fèi)用3 000 元, 共節(jié)省掘進(jìn)費(fèi)用 840萬元;沿空留巷成本2 000 元/m,總共費(fèi)用560萬元;沿空留巷創(chuàng)直接效益2 380萬元, 每米創(chuàng)效8 500元。

圖5 充填施工工藝流程示意圖

2) 間接效益。沿空留巷可實(shí)現(xiàn)無煤柱開采，增加煤炭采出率, 減少資源丟失，符合國家產(chǎn)業(yè)政策, 保證工作面銜接, 解決采掘銜接緊張矛盾。

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