彭俊水

(冀中能源股份有限公司顯德汪礦，河北省邢臺(tái)市，054103)

無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)以其在成巷速度、煤炭采出率、瓦斯治理和經(jīng)濟(jì)效益等方面的優(yōu)越性而受到重視。沿空留巷就是其中應(yīng)用廣泛的一種無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)。本文結(jié)合冀中能源顯德汪礦的實(shí)際情況，嘗試使用巷旁無(wú)充填沿空留巷技術(shù)獲得成功，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

顯德汪礦是冀中能源集團(tuán)旗下股份公司的一個(gè)主力生產(chǎn)礦井，生產(chǎn)能力170萬(wàn)t／a。顯德汪礦成立于1982年11月，至今已有30余年的開(kāi)采歷史，資源日益枯竭，采掘接替緊張，因此推廣沿空留巷技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

擬留巷的1914工作面位于九采區(qū)東翼，開(kāi)采1＃煤層。工作面埋深337～479m，走向長(zhǎng)度750m，工業(yè)儲(chǔ)量18.9萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量18萬(wàn)t。煤層中下部含薄層夾矸，夾矸厚0～0.15m，煤厚0.7～1.9m，平均厚1.16m，局部受構(gòu)造擠壓變薄。煤層傾角11°～23°，平均傾角17°。工作面頂?shù)装鍘r性如圖1所示。1914運(yùn)料巷為梯形斷面，巷道規(guī)格為4.2m×2.2m (寬×下幫高)，擬留巷長(zhǎng)度580m作為1916工作面的運(yùn)料巷使用，為了滿(mǎn)足1916工作面通風(fēng)、行人及支架運(yùn)輸?shù)囊?，留巷凈斷面不小?.5m×2.4m (寬×巷中高)。

圖1 1914工作面煤巖層柱狀圖

2 沿空留巷礦壓顯現(xiàn)特征

工作面初次回采過(guò)后，實(shí)體煤幫上方老頂斷裂，并向采空幫方向發(fā)生回轉(zhuǎn)，直接頂也在老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)壓迫下急劇下沉，產(chǎn)生大量的裂隙，極易發(fā)生冒頂。在老頂?shù)南鲁林袑?shí)體煤幫產(chǎn)生應(yīng)力集中，加劇了淺部圍巖的破壞，承載能力降低。沿空留巷全過(guò)程的圍巖變形可以分為以下幾個(gè)階段。

(1)初采影響階段。初次回采過(guò)程中，老頂破斷，開(kāi)始回轉(zhuǎn)變形，留巷的圍巖應(yīng)力開(kāi)始重新分布。巷道圍巖塑性區(qū)擴(kuò)大，變形急劇增長(zhǎng)。此階段頂板活動(dòng)劇烈，圍巖變形增大明顯，是沿空留巷最困難的階段，是留巷能否成功的關(guān)鍵。

(2)留巷穩(wěn)定階段。工作面后方一定距離外，采空區(qū)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，圍巖應(yīng)力形成一種新的平衡狀態(tài)，相比第一階段，此時(shí)可適當(dāng)降低支護(hù)強(qiáng)度，減少材料使用，降低成本。

(3)二次回采超前影響階段。下一個(gè)工作面回采時(shí)，此時(shí)回采引起的超前支承壓力和側(cè)向支承壓力與上一個(gè)工作面的殘余支承壓力疊加。因此，與初次回采相比，此階段圍巖破壞范圍迅速擴(kuò)大，變形更加劇烈，影響范圍也更大。但此階段支護(hù)時(shí)間短，只需在已有的支護(hù)體系上適當(dāng)加強(qiáng)即可，維護(hù)相對(duì)容易。

3 1914工作面沿空留巷支護(hù)方案

沿空留巷是一個(gè)系統(tǒng)工程，從最初掘進(jìn)時(shí)的支護(hù)設(shè)計(jì)到初次回采時(shí)的加強(qiáng)支護(hù)到二次回采時(shí)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，應(yīng)該統(tǒng)籌規(guī)劃，在不同階段、不同時(shí)期采用不同的支護(hù)方式，只有這樣才能在保證留巷成功的同時(shí)獲得最大的效益。

研究表明，只有采用合適的巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)才能保證留巷的成功。當(dāng)前巷旁支護(hù)的主要方式有木垛、密集支柱、矸石帶、混凝土砌塊等傳統(tǒng)的支護(hù)方式到新興的高水速凝材料和膏體材料等。而巷內(nèi)支護(hù)也從最初的工字鋼、U型鋼發(fā)展到現(xiàn)在的錨桿索支護(hù)。傳統(tǒng)的巷旁支護(hù)方式強(qiáng)度低并且施工復(fù)雜，工序繁多，而高水速凝材料和膏體材料等價(jià)格昂貴，經(jīng)濟(jì)效益低。如果巷道掘進(jìn)時(shí)采用棚式支護(hù)體系，會(huì)給留巷后期的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)帶來(lái)不便，結(jié)合顯德汪礦的實(shí)際情況，1914工作面沿空留巷決定采用靠幫單體柱強(qiáng)制切頂、錨桿索和單體柱配鉸接頂梁相結(jié)合主動(dòng)支護(hù)、錨壓雙層金屬網(wǎng)、加靠幫π型鋼背裱半圓木阻隔冒落矸石形成隔離墻、無(wú)人工巷旁充填的總體支護(hù)方案。

3.1 巷道基本支護(hù)

巷道基本支護(hù)是留巷全過(guò)程支護(hù)體系的主體，其支護(hù)質(zhì)量的好壞直接影響后期留巷維護(hù)的難易程度。1914運(yùn)料巷的支護(hù)方案如圖2所示。巷道頂板采用?22mm×2000mm左旋螺紋鋼強(qiáng)力錨桿配金屬梯子梁 (?14mm的A3圓鋼，長(zhǎng)4000mm)加CK2333和Z2360樹(shù)脂藥卷各一卷加長(zhǎng)錨固，間排距為800mm×700mm。頂板打3排?15.24mm×9000mm錨索，靠近回采側(cè)巷幫 (也稱(chēng)采空側(cè)巷幫)的一排為聯(lián)鎖錨索，其余兩排為邁步錨索。巷幫用?16mm×1850mm普通圓鋼錨桿掛雙抗塑料網(wǎng)配金屬梯子梁及一卷Z2360樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，間排距750mm×700mm。

圖2 1914運(yùn)料巷支護(hù)布置圖

3.2 初采階段加強(qiáng)支護(hù)

沿空留巷具有頂?shù)装遄冃瘟看?、深部圍巖塑性區(qū)范圍大、淺部圍巖裂隙發(fā)育等特點(diǎn)，因此，要求支護(hù)體系在減小圍巖變形的基礎(chǔ)上適應(yīng)圍巖變形，這樣既能保持圍巖完整并阻止圍巖的大變形，還能減少支護(hù)體的破壞。因此，需要在巷道原有基本支護(hù)的基礎(chǔ)上對(duì)巷道頂板和兩幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。加強(qiáng)支護(hù)主要分為巷內(nèi)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)和巷幫的加強(qiáng)支護(hù)，巷內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)以單體柱為主，巷幫支護(hù)的重點(diǎn)是回采側(cè)巷幫采用單體柱配十字鉸接頂梁、接π型鋼壓雙層金屬網(wǎng)并輔以注漿錨桿加固破碎巖石的方法，其總體支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 初采期超前支護(hù)布置圖

3.2.1 初次回采超前支護(hù)

根據(jù)沿空留巷超前支承壓力分布范圍的分析，將超前支護(hù)距離定為30m，此階段的支護(hù)主要是對(duì)實(shí)體煤幫的支護(hù)以及為采后回采側(cè)巷幫的支護(hù)做準(zhǔn)備工作。

(1)實(shí)體煤側(cè)巷幫支護(hù)。1914運(yùn)料巷的下幫作為實(shí)體煤幫，是采后頂板壓力的重要承載基礎(chǔ)，變形以臌幫為主。因此在距巷道頂板1200mm處補(bǔ)打一排?15.24mm×6000mm聯(lián)鎖錨索，錨索向頂板方向傾斜15°，間距2500mm。

(2)回采側(cè)巷幫及巷旁支護(hù)。為防止采空區(qū)冒落矸石竄入巷道，在回采側(cè)巷幫預(yù)鋪兩層1.0m×6m的金屬經(jīng)緯網(wǎng)，并在巷道頂板距幫400mm處補(bǔ)打一排?22mm×2000mm頂錨桿，排距為700mm，配合使用長(zhǎng)度為2600mm錨梁固定經(jīng)緯網(wǎng)。在距巷道中心線(xiàn)1600mm處的回采側(cè)巷幫打一排單體柱并配十字鉸接頂梁壓住網(wǎng)片。鋪網(wǎng)要求第一片壓住第二片，搭接長(zhǎng)度500mm，并用14＃鐵絲單排聯(lián)接，扣距100mm，雙絲雙扣，每扣扭結(jié)不少于3圈。

(3)頂板支護(hù)。在靠實(shí)體煤幫距巷道中心線(xiàn)950mm處打一排單體柱支撐頂板，柱距500mm。要求單體柱必須穿鐵鞋，初撐力不低于90kN。

3.2.2 劇烈變形區(qū)支護(hù)

工作面回采過(guò)后，巷道急劇變形。1914運(yùn)料巷留巷動(dòng)壓影響范圍約為工作面后方70m左右，此階段的支護(hù)是留巷能否成功的關(guān)鍵。

(1)采空幫支護(hù)。為防止采空區(qū)垮落的矸石竄入巷道，貼近采空幫打一排π型鋼，排距為500mm，用以固定金屬網(wǎng)并切頂。在強(qiáng)制切頂?shù)幕A(chǔ)上，通過(guò)頂接十字頂梁、底穿鐵鞋等措施提高支架頂?shù)椎哪Σ磷枇σ云胶獠煽諈^(qū)側(cè)向壓力。隨著工作面的推進(jìn)，先前鋪設(shè)的雙層金屬網(wǎng)逐漸展開(kāi)，與在π型鋼后背裱的半圓木形成了以補(bǔ)打錨桿為固定點(diǎn)的網(wǎng)—矸石阻隔墻，以替代人工巷旁充填進(jìn)行護(hù)幫。其現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)情況如圖4所示。

圖4 劇烈變形區(qū)采空幫支護(hù)

在此期間，每天向采空區(qū)灑水，加快破碎巖石重新膠結(jié)。滯后40m左右補(bǔ)打3排?25mm×2000mm注漿錨桿，最上位錨桿距頂板500mm，間排距800mm×1000mm，兩端錨桿傾斜，中間錨桿垂直巷幫布置，錨桿外露長(zhǎng)度不超過(guò)100mm，加長(zhǎng)度為1900mm的梯子梁護(hù)幫，要求錨固力不低于2t。

(2)頂板支護(hù)。單體支柱配金屬鉸接頂梁和十字鉸接頂梁 (順巷布置)加強(qiáng)頂板支護(hù)，除靠幫的切頂柱之外，加打兩排，分別位于距巷道中心線(xiàn)500mm和1100mm的兩側(cè)?？炕夭上飵蛡?cè)的單體柱通過(guò)十字鉸接頂梁和切頂柱相連，形成一個(gè)整體，增加穩(wěn)定性，如圖5所示，劇烈變形區(qū)總體支護(hù)方案如圖6所示。

圖5 單體柱接π型鋼布置圖

圖6 初采期劇烈變形區(qū)支護(hù)布置圖

3.2.3 變形緩和區(qū)和穩(wěn)定區(qū)支護(hù)

在工作面后方70～130m，圍巖運(yùn)動(dòng)逐漸趨于緩和，此時(shí)可撤去靠實(shí)體煤幫的單體柱。

工作面后方130m以外，采空區(qū)垮落的巖石基本壓實(shí)，頂板活動(dòng)也趨于穩(wěn)定，此時(shí)可視情況撤去所有的單體柱，僅保留π型鋼，并緊靠π型鋼支1排圓木，間距1000mm。為防止采空區(qū)漏風(fēng)，向采空幫噴射混凝土，配比為水泥∶沙子∶石子＝1∶2∶2，厚度要求不低于100mm。

3.3 二次回采時(shí)期支護(hù)

初采過(guò)后，巷道圍巖形成新的應(yīng)力平衡，變形趨于穩(wěn)定，在二次回采之前，也就是1916工作面回采時(shí)，僅需對(duì)巷道超前支護(hù)。在距實(shí)體煤幫1000mm處和距采空幫350mm處各打一排單體柱支撐頂板，柱距500mm。

4 礦壓觀測(cè)結(jié)果及經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 礦壓觀測(cè)結(jié)果及分析

1916工作面自2012年12月中旬開(kāi)始回采，現(xiàn)已進(jìn)入回采后期。為了準(zhǔn)確掌握留巷的應(yīng)力形變特點(diǎn)，確保回采期間的安全，總結(jié)此次沿空留巷實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，在回采過(guò)程中設(shè)置了測(cè)點(diǎn)，采用十字布置法對(duì)巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷南鄬?duì)移近量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。其中5＃測(cè)點(diǎn)從工作面前方超前56m始測(cè)，直至工作面推過(guò)241m后停止，可以作為典型的留巷全過(guò)程變形曲線(xiàn)，其巷道表面位移曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 5＃測(cè)點(diǎn)巷道表面位移觀測(cè)曲線(xiàn)

由觀測(cè)結(jié)果可以看出，所留巷道的表面位移量及位移速度表現(xiàn)出明顯的階段性，從工作面前方約20m開(kāi)始，受超前支承壓力的影響，頂?shù)装搴蛢蓭烷_(kāi)始出現(xiàn)移近現(xiàn)象，并在工作面前方10m左右出現(xiàn)峰值。在工作面推過(guò)之后，巷道表面圍巖劇烈變形，變形速度在工作面后方12m左右達(dá)到峰值，為初采期間的劇烈變形區(qū)。之后，變形逐漸變緩，在工作面后方約125m處，變形量基本穩(wěn)定，保持不變，為留巷的穩(wěn)定階段。留巷的分階段支護(hù)設(shè)計(jì)與巷道表現(xiàn)出的階段性變形特征相吻合，表明此次留巷支護(hù)是合理有效的。

頂?shù)装謇塾?jì)移近量約為690mm，其中底臌量為260mm，可以通過(guò)臥底解決。兩幫移近量為450mm。這樣，臥底后所留巷道也就是1916運(yùn)料巷的規(guī)格約為3.75m×2.41m (寬×巷中高)，滿(mǎn)足了生產(chǎn)要求。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

沿空留巷不僅少掘一條巷道，而且實(shí)現(xiàn)了無(wú)煤柱護(hù)巷，提高了煤炭的采出率，但在留巷后期也有一定的維修費(fèi)用。

新掘巷道成本按3500元／m計(jì)算，長(zhǎng)580m巷道共節(jié)省掘進(jìn)費(fèi)用203.0萬(wàn)元；取消了4m的實(shí)體煤保護(hù)煤柱，按97%的回采率、煤價(jià)400元／t計(jì)算，可創(chuàng)收177.5萬(wàn)元；后期沿空留巷的維護(hù)成本則包括留巷的支護(hù)材料費(fèi)、人工費(fèi)用以及臥底整修費(fèi)用等，按2200元／m計(jì)算，共支出127.6萬(wàn)元。因此1914工作面沿空留巷共創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益為節(jié)省的巷道掘進(jìn)費(fèi)用＋回收煤柱的創(chuàng)收-后期的巷道維護(hù)費(fèi)用，共計(jì)252.9萬(wàn)元。

5 結(jié)論

(1)沿空留巷是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。從最初掘進(jìn)時(shí)的支護(hù)設(shè)計(jì)到初次回采時(shí)的加強(qiáng)支護(hù)到二次回采時(shí)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，應(yīng)該統(tǒng)籌規(guī)劃，在不同階段，不同時(shí)期采用不同的支護(hù)方式，只有這樣才能在保證留巷成功的同時(shí)獲得最大的效益。

(2)沿空留巷礦壓顯現(xiàn)可分為3個(gè)階段，其中在初采影響階段老頂破斷，開(kāi)始發(fā)生回轉(zhuǎn)變形。此階段頂板運(yùn)動(dòng)劇烈，圍巖變形顯著增大，這是沿空留巷最困難的階段，是留巷能否成功的關(guān)鍵。

(3)采用單體柱配十字鉸接頂梁、接л型鋼壓雙層金屬網(wǎng)并輔以注漿錨桿實(shí)現(xiàn)了巷旁無(wú)充填沿空留巷，留巷工藝簡(jiǎn)單，л型鋼架設(shè)方便，并且可以調(diào)節(jié)長(zhǎng)度來(lái)適應(yīng)局部巷道高度的變化，對(duì)巷道高度變化的適應(yīng)性好。

(4)如果采區(qū)區(qū)段平巷采用無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)，礦井可減少煤柱損失10%～30%，有效地緩解采掘接替，延長(zhǎng)礦井的服務(wù)年限，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

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