辛家祥

(天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

無煤柱開采分為沿空掘巷和沿空留巷，沿空留巷即在留設巷道靠采空區(qū)側(cè)人工構(gòu)筑巷旁充填墻體，支撐頂板并隔離采空區(qū)，從而達到巷道復用目的。目前，沿空留巷在埋深較淺(<200m)、堅硬頂、底板條件工作面取得了較好效果，但條件較差礦區(qū)成功經(jīng)驗較少。筆者結(jié)合陽煤集團新元公司3107工作面復雜地質(zhì)條件，設計了回風巷沿空留巷充填液壓支架及支護系統(tǒng)，根據(jù)留巷效果及充填支架使用情況，對今后設計需改進之處進行了分析總結(jié)。

1 試驗工作面概況

陽煤集團新元公司為高瓦斯突出礦井，3107工作面煤層平均埋深419m，煤厚2.82m，工作面傾角2°～6°，實體煤長度240m，走向長度1591.4m。直接頂為灰黑色砂質(zhì)泥巖，平均厚度5.66m；基本頂為中粒粉砂巖，厚度2.1～3m；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.98m；老底為灰色中粒細砂巖，平均厚度3.94m。進風巷斷面尺寸(寬度×高度)：5200mm×3000mm，錨網(wǎng)支護；回風巷斷面尺寸(寬度×高度)：4800mm×3000mm，錨網(wǎng)支護。

由上可知，試驗工作面埋深>400m，屬高瓦斯、松軟破碎頂?shù)装鍙碗s地質(zhì)條件沿空留巷，技術(shù)難度較大。試驗工作面三機配套設備如表1所示。

表1 工作面三機配套設備

2 沿空留巷支護系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

2.1 影響因素分析

長期實踐表明：沿空留巷成功與否，主要受煤層厚度及埋藏深度、直接頂厚度及其巖性、工作面傾角等因素影響。

2.1.1 煤層厚度及埋藏深度

(1)煤層厚度越大，直接頂及基本頂?shù)目迓涓叨?、垮落空間及頂板來壓強度也越大，巷道圍巖變形嚴重，留巷斷面收縮率急劇增加，不利于巷道圍巖控制。

(2)煤層開采高度越大，充填墻體高度及寬度也需相應增加，充填成本大幅提升。

(3)埋深越大，受“三高一擾動”影響越大，沿空留巷施工越困難，對充填支架要求也越高，要求：增加液壓支架結(jié)構(gòu)寬度，提高支架穩(wěn)定性；增加液壓支架工作阻力，減小縱向支撐長度，提高支護強度，改善切頂效果。

試驗工作面埋深>400m，平均煤厚2.82m，屬埋深較大的中厚煤層沿空留巷，難度及成本適中，效果容易保證，但充填支架設計時要考慮增加支護強度及支護結(jié)構(gòu)寬度。

2.1.2 直接頂厚度及其巖性

(1)直接頂厚度越大，垮落后越有可能及時充滿采空區(qū)，上覆巖層在煤體和矸石支撐下，取得運動平衡，巷道圍巖變形趨向緩和直至穩(wěn)定，有利于巷道圍巖的控制和穩(wěn)定。若直接頂厚度較小，垮落后的直接頂不足以充滿采空區(qū)，會導致上覆巖層破斷，造成巷道及巷旁充填體變形量較大，嚴重影響留巷穩(wěn)定性，需采取特殊支護措施，從而增加成本。試驗工作面直接頂厚度較薄，留巷過程中需采取措施嚴格控制巷道圍巖及充填墻體變形。

(2)煤層直接頂巖性及抗壓強度對留巷影響顯著。直接頂抗壓強度小，巷內(nèi)頂板易破碎，需采取高預應力錨桿、錨索加強支護及架前鋪網(wǎng)等措施，防止頂板冒落，施工工藝較復雜；直接頂抗壓強度大，則巷道頂板的垂直位移和垂直應力也大，巷旁切頂阻力也大，需要提高支架支護強度，以及時切斷直接頂，減小巷旁支護載荷，控制巷道變形。

試驗工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，屬松軟頂板，需對巷道采取補強措施。

2.1.3 工作面傾角

試驗工作面傾角2°～6°，屬近水平開采，煤層傾角對實施沿空留巷工藝基本無影響，沿空留巷液壓支架無需采取防倒措施，但要考慮采取措施防止采空區(qū)冒落矸石竄入支架內(nèi)部，影響支架正常使用。

2.2 沿空留巷支護系統(tǒng)

如圖1所示，沿空留巷支護系統(tǒng)包括：巷內(nèi)支護，即留設巷道內(nèi)的支護，包括原有支護及巷道補強支護等；巷旁支護，即充填墻體支護；待充填區(qū)域支護；采空區(qū)支護，即充填墻體采空區(qū)側(cè)支護；其他輔助設施。只有合理構(gòu)筑沿空留巷支護系統(tǒng)，才能更好適應大埋深、高瓦斯、松軟頂、底板條件沿空留巷。

圖1 沿空留巷支護系統(tǒng)構(gòu)成

2.2.1 巷內(nèi)支護

為了實現(xiàn)巷道復用，巷道內(nèi)原有支護及補強支護(絕大多數(shù)為錨桿、錨索)均需保留并維護，因此巷內(nèi)支護不能采用液壓支架，避免支架頻繁升降、拉移破壞巷道原有支護、補強支護及頂板的完整性，只能采用單體支柱配合鉸接頂梁組成的簡單支護系統(tǒng)，必要時須輔以木垛等密集支護以控制頂板下沉。

2.2.2 巷旁支護

巷旁支護經(jīng)歷了木垛、密集支柱、矸石、混凝土砌塊、高水材料及混凝土等支護方式，由于高水材料和混凝土具有較好的泵送及速凝性能，目前多使用這兩種材料構(gòu)筑充填墻體。

2.2.3 充填墻體采空區(qū)側(cè)支護

由于巷旁充填墻體從構(gòu)筑并達到所需強度需要一定空間和時間，在這個空間與時間內(nèi)，充填墻體兩側(cè)須設置高阻力的加強支護，以保護充填墻體。常見的有木支柱、單體支柱配合鉸接頂梁等。

2.2.4 待充填區(qū)域支護

待充填區(qū)域支護主要是針對松軟、破碎、易冒落頂板，在煤壁側(cè)預先鋪設柔性頂網(wǎng)及充填墻體前方采取打設錨桿、錨索等措施對破碎頂板進行加強支護，維護頂板完整，方便施工。

2.3 巷道補強支護

試驗工作面回風巷掘進時未考慮沿空留巷，錨桿支護強度較低，且兩幫為點錨桿支護，不能有效控制兩幫移近和底鼓。為控制巷道圍巖變形，實現(xiàn)留巷復用，需對巷道兩幫及頂、底板進行補強支護。

采取措施：頂板每2排錨桿加打1根φ21.6mm×6300mm錨索。兩幫采用錨桿、錨索加強支護，在每排錨桿底角距底板300mm處補打1根φ20mm×2400mm錨桿，俯角15°，并配合使用φ16mm鋼筋梯子梁；在兩幫每2排錨桿補打1排2根錨索，第一根距頂板800mm，仰角10°，第二根距頂板2200mm，水平布置。煤柱側(cè)采用φ21.6mm×5200mm錨索，實體煤側(cè)采用φ21.6mm×4200mm錨索，并配合φ16mm的鋼筋梯子梁。

2.4 充填墻體構(gòu)筑

2.4.1 充填材料選擇

理想的充填材料應具有支護強度高、接頂及可縮性能好、速凝早強、泵送性能好、殘余強度高、密閉性好等特點，試驗工作面采用國內(nèi)使用較多且效果較好的高水速凝材料。

2.4.2 充填墻體設計

經(jīng)理論計算，所需充填體寬度為1.61m。根據(jù)3107工作面回風巷頂板巖層實際情況，確定充填體寬度為2.0m，高度為巷道高度，并在充填時設置對拉錨桿對充填墻體進行加固以增加承載能力和抗變形能力。

2.5 充填液壓支架及支護系統(tǒng)設計

經(jīng)充分論證，試驗工作面回風端頭區(qū)采用沿空留巷充填液壓支架(組)支護(如表2所示)，包括充填過渡支架及擋矸支架，該系統(tǒng)支護強度高，能自行前移，減輕人工勞動強度，增加了工作面推進速度，能隔離采空區(qū)矸石竄入支護系統(tǒng)內(nèi)部，為充填作業(yè)提供安全空間。

表2 充填液壓支架及支護系統(tǒng)

2.5.1 充填液壓支架空間布置

充填液壓支架及支護系統(tǒng)布置如圖2所示，機尾第1～5架為充填過渡支架，第6架開始布置中部支架，2架擋矸布置在充填過渡支架后部，其中擋矸支架A布置在充填墻體側(cè)，擋矸支架B超前擋矸支架A 1個步距(與采煤機截割步距一致)布置在采空區(qū)側(cè)。擋矸支架B隨前部充填過渡支架同步移動，擋矸支架A待充填作業(yè)完成且墻體凝固后才可移動，為保證頂板支護及防漏矸效果，一般擋矸支架A及擋矸支架B的頂梁應有不小于2個步距的重疊量。

圖2 試驗工作面沿空留巷設備布置

2.5.2 充填液壓支架技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點

(1)充填過渡支架(圖2(a)～(e))技術(shù)參數(shù)見表3。

結(jié)構(gòu)特點：

充填過渡支架移架方式與中部支架相同，與刮板輸送機互為支點實現(xiàn)推溜和移架作業(yè)；支架均為四柱、正四連桿、支撐掩護式液壓支架，四連桿機構(gòu)布置在后排兩根立柱中間，結(jié)構(gòu)緊湊。

表3 充填過濾支架技術(shù)參數(shù)

頂梁形式與中部支架一致，為整體頂梁+伸縮梁+一級護幫，可翻轉(zhuǎn)護幫板便于實現(xiàn)架前鋪網(wǎng)。頂梁帶側(cè)護板，能有效防止架間漏矸；支架頂梁后部帶可翻轉(zhuǎn)護板，為打設錨桿、錨索等作業(yè)提供安全空間；翻轉(zhuǎn)護板開600mm×450mm孔，相鄰支架后護板之間留有450mm間距，方便架間打錨桿錨索，如圖3所示。

圖3 可翻轉(zhuǎn)護板

(2)擋矸支架(圖2(d)～(e))技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 檔桿支架技術(shù)參數(shù)

結(jié)構(gòu)特點：

(1)主體結(jié)構(gòu)與充填過渡支架相同；擋矸支架底座前端均設置抬底裝置，防止支架扎底；兩架擋矸支架頂梁及底座之間均設置有調(diào)架裝置，防止支架錯位及歪斜。

(2)擋矸支架A頂梁設置伸縮梁結(jié)構(gòu)；擋矸支架B頂梁不帶伸縮梁，頂梁長度較擋矸支架A短，符合礦壓分布規(guī)律，不僅有利于該區(qū)域頂板支護，還能加強對采空區(qū)頂板的切頂效果。

(3)擋矸支架與前部充填過渡支架之間通過拉移油缸及高強度圓環(huán)鏈實現(xiàn)軟連接，結(jié)構(gòu)簡單可靠，強度高，能實現(xiàn)快速拉架，且拉架時便于糾正、調(diào)整擋矸支架姿態(tài)。

(4)擋矸支架采空區(qū)側(cè)及支架后部設置有擋矸裝置，防止采空區(qū)冒落矸石竄入支架內(nèi)部，實現(xiàn)對該區(qū)域頂板的全封閉支護，提供安全作業(yè)空間。

2.5.3 充填工藝

采煤機割煤→推溜→機尾第2～3架前鋪設柔性頂網(wǎng)，如遇頂板不完整，機尾至少第1～7架與輸送機相連的支架架前都要鋪頂網(wǎng)→拉架→機尾第1架后，打單體；第2～3架后打錨桿、錨索→充填→采煤機割煤，完成1個作業(yè)循環(huán)。

3 工業(yè)性試驗

3.1 概況

試驗工作面成功留巷1500余米。留巷基本滿足設計要求，但留巷靠近充填墻體側(cè)底鼓明顯，相較神東地區(qū)淺埋深、堅硬頂板礦井，效果有較大差距。

3.2 試驗效果及討論

3.2.1 試驗效果分析

(1)沿空留巷液壓支架與巷旁充填墻體強度匹配基本合理，充填墻體能承受初次來壓和周期來壓強度，頂板下沉及底鼓處于可控范圍內(nèi)，留巷效果良好。

(2)工作面“Y”型通風系統(tǒng)成功解決了隅角瓦斯積聚難題；取消瓦排巷，緩解了采掘銜接緊張，節(jié)約巷道掘進費用420余萬元。

(3)經(jīng)測算，取消區(qū)段煤柱使工作面采出率由69%提高至83%。

3.2.2 充填液壓支架使用分析

充填液壓支架較好地滿足了工藝需求，減輕了工人勞動強度，但工作面回采過程中發(fā)現(xiàn)如下問題：

(1)充填過渡液壓支架壓力監(jiān)測顯示：沿空留巷實施第45～70d之間，立柱安全閥長時間處于頻繁開啟狀態(tài)，表明充填過渡支架支護強度不足，工作阻力有待提高。

(2)由于壓力監(jiān)測系統(tǒng)故障，沒有采集到擋矸支架壓力值，無法判斷充填墻體采空區(qū)側(cè)的礦壓顯現(xiàn)，但施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)擋矸支架被壓死，支架拉移困難等現(xiàn)象，同樣表明擋矸支架的支護強度也有待提高。

(3)回采過程中，充填過渡支架及擋矸支架頂梁、掩護梁、連桿均出現(xiàn)不同程度的焊縫開裂，表明支架的工作阻力需要適當增加，另外支架設計時需提高掩護梁等結(jié)構(gòu)抗扭強度。

4 結(jié)論及建議

對于埋深較大，高瓦斯、破碎松軟頂?shù)装宓葟碗s地質(zhì)條件沿空留巷，充填液壓支架設計時應遵循以下原則：

(1)充填過渡支架及擋矸支架結(jié)構(gòu)要緊湊、輕便，方便移架，通風斷面要進行驗算；支架應有足夠的結(jié)構(gòu)寬度，增強穩(wěn)定性，防止支架承受外載時發(fā)生歪斜。

(2)支護強度要高于工作面中部支架，擋矸支架高度伸縮比要盡量大，防止支架壓死。設計時，安全系數(shù)特別是抗扭安全系數(shù)比中部支架要大10%～20%。

(3)擋矸支架應設置抬底裝置，避免支架扎底。進一步優(yōu)化擋矸支架與充填過渡支架連接裝置，避免支架走偏。

(4)有條件的礦井，應在留巷巷道開展水力壓裂、超臨界液態(tài)二氧化碳致裂等試驗，弱化頂板，減少基本頂懸頂長度，減小支架及充填墻體受力，改善留巷效果。