葛磊松，劉燕祥，陳達(dá)常,王平，李鵬，任恒

(1.廣西百色百礦集團(tuán)有限公司，廣西壯族自治區(qū) 百色533000；2.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

隨著煤炭資源的日益開采，我國煤炭儲(chǔ)量越來越少，傳統(tǒng)的留設(shè)煤柱開采方式資源回收率較低，造成了大量的資源浪費(fèi)[1-3].無煤柱開采是一種先進(jìn)的煤礦開采方法[4-6]，逐步被人們所熟知并接受.目前普遍使用的無煤柱開采方式為切頂卸壓沿空成巷開采技術(shù)[7,8]，并在該領(lǐng)域取得了一些成果.何滿潮[9]針對不同頂板位態(tài)提出了幾種“圍巖結(jié)構(gòu)-巷旁支護(hù)體”力學(xué)作用模型，為切頂卸壓沿空成巷的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)；孫曉明[10]通過對薄煤層工作面回采過程中頂板受力狀態(tài)分析，確定了最佳預(yù)裂爆破鉆孔間距；侯公羽[11]通過切頂高度對巷旁支護(hù)沿空留巷穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，超前深孔爆破切頂巷旁混凝土沿空留巷技術(shù)提出在較薄直接頂、厚煤層綜放開采條件下是可行的.廣西位于我國西南地區(qū)，煤炭資源較為缺乏，近年以來沿空留巷無煤柱開采技術(shù)在百色百礦集團(tuán)廣泛推廣應(yīng)用，沿空留巷技術(shù)能夠較好地實(shí)現(xiàn)無煤柱護(hù)巷[12,13]，在經(jīng)濟(jì)效益方面效果顯著，但沿空留巷需要提前安排隊(duì)伍掘進(jìn)工作面兩巷，對于目前招工難用工難,一線人員缺乏的煤礦企業(yè)仍是個(gè)不小的壓力，同時(shí)提高了人工成本.

百礦集團(tuán)東懷煤礦沿空成巷技術(shù)研究和實(shí)踐直接利用采煤機(jī)滾筒切割上出口機(jī)尾段煤壁成巷，成巷后作為下一工作面順槽，這樣可以少打巷道，縮減掘進(jìn)隊(duì)伍，提高了效率，節(jié)約了成本，同時(shí)也為沿空成巷技術(shù)的探索提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).

1 沿空成巷技術(shù)的基本原理

圖1 東懷煤礦軟巖巷道沿空成巷試驗(yàn)巷道布置

百礦集團(tuán)東懷煤礦軟巖巷道沿空成巷技術(shù)的研究與應(yīng)用主要是先在采區(qū)掘進(jìn)巷道圈出一塊待采區(qū)域，切眼斜長大于或者等于兩個(gè)工作面切眼斜長，在掘出來的切眼下部安裝一個(gè)工作面長度(約150 m)所需數(shù)量的支架，然后進(jìn)行推采，上出口在采煤機(jī)切割后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，切割成巷后進(jìn)行留巷支護(hù)處理，采空區(qū)側(cè)打柱支護(hù)頂板冒落形成巷道邊幫，沿空成巷后的巷道，作為下一工作面運(yùn)輸順槽(如圖1所示).

2 沿空成巷的研究應(yīng)用

2.1 東懷煤礦I煤地質(zhì)條件概況

東懷煤礦I煤煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸多，中、上部有泥巖夾矸，夾矸厚0～2.7 m，平均0.7 m.以煤層中、上部的泥巖夾矸為界，將煤層分為上、下兩個(gè)分層，上分層命名為I上，下分層命名為I下，上、下分層合并仍稱為I煤.I上分層于井田西北部可采，煤層厚 0.8～1.0 m，平均0.86 m，I下分層煤厚0.83～2.53 m，平均1.74 m.上、下分層煤層合并處煤厚0.80～2.96 m，平均厚度3.0～3.5 m.煤層頂板為泥巖或炭質(zhì)泥巖，直接底板大多為泥巖或砂質(zhì)泥巖，間接底板為厚層狀粉砂巖，細(xì)砂巖，煤層傾角10°～16°.

2.2 技術(shù)方案

本研究選取東懷煤礦13I07與13I10工作面中間的未開采區(qū)域斜長共300 m的區(qū)塊進(jìn)行試驗(yàn)，即13I08工作面和13I09工作面進(jìn)行試驗(yàn).先掘進(jìn)13I08回風(fēng)巷、13I09進(jìn)風(fēng)巷，然后貫通兩巷作為兩個(gè)工作面的切眼，然后對13I09工作面進(jìn)行設(shè)備安裝，再對13I09工作面進(jìn)行推采，上出口切割后，及時(shí)對頂板進(jìn)行支護(hù)，并對成巷巷道進(jìn)行留巷，采空區(qū)進(jìn)行切頂放頂處理，推采到10 m距離后，在上出口留巷位置開始使用超前支架，加強(qiáng)頂板支護(hù)，成巷巷道全部使用U型鋼和π型梁聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)，根據(jù)周期來壓步距確定加強(qiáng)支護(hù)距離，確保留巷質(zhì)量和效果.采空區(qū)待頂板完全垮落后，對留巷邊幫進(jìn)行噴漿處理，防止漏風(fēng).

2.3 沿空成巷的實(shí)施步驟和工藝流程

2.3.1 沿空成巷實(shí)施步驟

在礦井切出一塊待采區(qū)域(大于等于2個(gè)工作面寬度)→推采一個(gè)工作面后對工作面上出口進(jìn)行支護(hù)留巷→切頂放頂采空區(qū)→采空區(qū)冒落充分→成巷.

2.3.2 沿空成巷的工藝流程

1)工作面的圈定：選取未開采區(qū)域約兩個(gè)工作面斜長共300 m的區(qū)塊(每個(gè)工作面長150 m)，即13I08和13I09工作面進(jìn)行試驗(yàn)，先掘進(jìn)13I09回風(fēng)巷、13I08進(jìn)風(fēng)巷和貫通兩巷作為切眼.

2)工作面支架的安裝：先安裝13I09工作面，工作面斜長150 m，只安裝98個(gè)支架，機(jī)尾段剩余2個(gè)支架不進(jìn)行安裝，留空位進(jìn)行沿空成巷以及超前支架的安設(shè).

3)切割、沿空成巷：切割工作面機(jī)尾后，及時(shí)對機(jī)尾頂板進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)分為臨時(shí)性支護(hù)、永久性支護(hù)和沿空成巷加強(qiáng)支護(hù)3種形式，組成聯(lián)合支護(hù)模式.

支護(hù)工藝流程：采煤機(jī)切割機(jī)尾成巷→超前支架臨時(shí)支護(hù)→打頂錨桿→打邊幫錨桿→掛網(wǎng)支護(hù)→打錨索支護(hù)→打中間單體柱配π型梁切頂支護(hù)→打U型鋼支柱卡π型梁端頭(迎山角5°～10°)、壓網(wǎng)擋采空區(qū)矸石→打加強(qiáng)單體柱配鉸接頂梁支護(hù)→打錨桿鎖π型梁頭→超20 m回收加強(qiáng)單體柱→超40 m回收中間單體柱→成巷.

2.4 沿空成巷技術(shù)數(shù)值模擬

2.4.1 模型的建立

為了分析沿空成巷技術(shù)時(shí)的圍巖變形特征和圍巖應(yīng)力分布，根據(jù)13I08和13I09工作面現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D建立數(shù)值計(jì)算模型，建立的數(shù)值模型如圖2所示.

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

模型尺寸為80 m×10 m×60 m (長×寬×高) ,底部固定,四周限制水平位移,模型上部為自由邊界,施加20.7 MPa的載荷,模擬上覆巖層重量.材料采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型,各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)表

2.4.2 數(shù)值模擬分析

由圖3可以看出，煤層采出后在側(cè)向?qū)嶓w煤內(nèi)產(chǎn)生了應(yīng)力集中，應(yīng)力集中峰值為26.7 MPa，并在巷道臨采空區(qū)側(cè)產(chǎn)生了一定的卸壓區(qū)；由圖4可以看出，煤層采出后巷道頂板下沉量150 mm左右，采空區(qū)側(cè)基本頂巖塊沿切縫面基本順利垮落.綜上，沿空成巷技術(shù)東懷煤礦13I07與13I10工作面具有可行性，實(shí)施時(shí)應(yīng)對應(yīng)力集中側(cè)加強(qiáng)支護(hù).

2.5 沿空成巷的支護(hù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)沿空成巷規(guī)格：寬×高 (4 m×3 m).

2.5.1 沿空成巷臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)

鑒于東懷煤礦頂板泥巖抗壓強(qiáng)度較低，機(jī)尾段沿空成巷必須要對頂板進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，因留巷條件限制，無法使用傳統(tǒng)的液壓支架進(jìn)行頂板支護(hù)，因此該段巷道選用ZT-3200/15/30型超前支架進(jìn)行支護(hù).

沿空成巷超前支架的使用主要基于西南百色地區(qū)軟巖巷道頂板較為破碎考慮，在機(jī)尾預(yù)留空位地方使用2副超前支架進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，可以有效地控制機(jī)尾頂板，確保安全(臨時(shí)支護(hù)示意圖如圖5所示).

圖3 垂直應(yīng)力

圖4 垂直位移

圖5 沿空成巷臨時(shí)支護(hù)

2.5.2 采煤機(jī)切割成巷后永久支護(hù)

圖6 沿空成巷永久性支護(hù)

東懷煤礦I煤頂板煤層直接頂板為泥巖，平均厚3.40 m，局部見炭質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖偽頂一層，厚0.00～0.50 m.抗壓強(qiáng)度：泥巖10.1～31.5 MPa，炭質(zhì)泥巖64.0～114.6 MPa，平均73.05 MPa.頂板圍巖的抗壓強(qiáng)度比較低，屬于不穩(wěn)定巖層.所以頂板支護(hù)確定使用錨網(wǎng)支護(hù)+錨索支護(hù)方式(具體參數(shù)如圖6所示).

1)錨網(wǎng)支護(hù).錨桿規(guī)格：Φ20 mm×2 000 mm，錨網(wǎng)支護(hù)規(guī)格：800 mm×800 mm，其中碳墻側(cè)邊幫打3根錨桿，頂板打5根錨桿，錨網(wǎng)搭接200 mm.

2)錨索支護(hù).錨索規(guī)格：Φ21.5 mm×6 000 mm，錨索間距1 600 mm，錨索排距2 400 mm.

圖7 沿空成巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)

3)采空區(qū)側(cè)支護(hù)方式：采空區(qū)側(cè)主要是利用菱形網(wǎng)配合U型鋼支架柱腿壓網(wǎng)，阻擋矸石，等頂板切頂垮落完全后形成矸石墻，然后對該側(cè)進(jìn)行噴漿粘結(jié)，達(dá)到支護(hù)、防漏風(fēng)目的.

2.5.3 沿空成巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)

沿空成巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)主要基于軟巖巷道沿空留巷聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[5]，主要是利用U型鋼金屬支柱+π型梁+錨桿形成聯(lián)合支護(hù)模式，從而對沿空成巷巷道的頂板和邊幫形成有效的支護(hù)，如圖7所示.根據(jù)東懷煤礦礦壓觀測數(shù)據(jù)，工作面初次來壓距26.5 m，周期來壓距為19～21 m，平均20.62 m；超前影響范圍在工作面前方60～70 m，超前支承壓力高峰區(qū)在煤壁前方10～20 m范圍內(nèi).因此，沿空留巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)參照超前支護(hù)模式，在20 m范圍內(nèi)，采用雙排單柱加強(qiáng)支護(hù)模式，40 m范圍內(nèi)，采用單排單柱加強(qiáng)支護(hù)模式，超過以上距離后，開始逐步對單柱進(jìn)行回收循環(huán)利用.

1)聯(lián)合支護(hù)：采用U型鋼支柱+π型梁+錨桿支護(hù)模式，其中U型鋼支柱主要起到支撐以及檔矸石和攔網(wǎng)作用，π型梁起到切頂作用，鎖住π型梁的錨桿起到懸吊作用，形成聯(lián)合支護(hù)整體.聯(lián)合支護(hù)排距為500 mm.

2)單、雙排支護(hù)：即加強(qiáng)單體柱(20 m范圍)+中間單體柱(40 m范圍)，加強(qiáng)單體柱超過20 m范圍即進(jìn)行回收，中間單體柱超過40 m范圍即進(jìn)行回收.

2.6 沿空成巷的通風(fēng)方式

2.6.1 沿空成巷的通風(fēng)方式

圖8 軟巖巷道沿空成巷通風(fēng)

采用“Z”型通風(fēng)方式，具體風(fēng)流走向：13I09進(jìn)風(fēng)巷→13I09工作面→13I09回風(fēng)巷(沿空成巷)→13I08切眼→13I08回風(fēng)巷.在工作面內(nèi)風(fēng)流走形為“Z”型走向流動(dòng)，在兩個(gè)工作面整體的風(fēng)流為“U”型通風(fēng)方式(詳情如圖8所示).

2.6.2 沿空成巷防自燃發(fā)火采取的措施

沿空成巷后，待采空區(qū)側(cè)頂板冒落完全形成邊幫，再對已經(jīng)成巷的采空區(qū)側(cè)留巷邊幫進(jìn)行及時(shí)噴漿，防止風(fēng)流竄進(jìn)采空區(qū)導(dǎo)致采空區(qū)煤炭自燃，同時(shí)，減少采空區(qū)熱量發(fā)散到留巷巷道，改善作業(yè)環(huán)境.

2.7 存在問題和解決辦法

2.7.1 方案實(shí)施中存在的問題

1)普通刮板機(jī)機(jī)尾為抬高槽，采煤機(jī)在機(jī)尾段割不到巷道底板，導(dǎo)致機(jī)尾段浮渣多，需要人工降底、清理.

2)超前支架梁長度不足，無法伸到煤壁，形成有效的超前支護(hù).

2.7.2 解決辦法

1)采煤機(jī)機(jī)尾無法割底問題：首先，在刮板機(jī)機(jī)尾槽的齒軌邊上加焊兩個(gè)齒軌座，加長兩條齒軌，共長0.75 m；其次在刮板機(jī)機(jī)尾槽跟過渡槽煤壁端，分別焊上兩塊長為0.75 m、寬為0.35 m、厚度為40 mm的鐵板，用于采煤機(jī)平板滑靴的行走，從而解決刮板機(jī)上行走軌道的限制，保證采煤機(jī)滾筒能割到底板.

2)超前支架梁長度不足問題：首先，將超前支架的頂梁前端割斷，在利用方鋼、鋼板等材料加工制造成一節(jié)(長1 m，寬0.4 m，高0.3 m)頂梁，將加工好的頂梁插入至超前支架的頂梁內(nèi)部.最后利用兩條液壓千斤頂移動(dòng)調(diào)整加工頂梁的伸縮量，實(shí)現(xiàn)頂板的安全支護(hù).經(jīng)改造后，超前支架的頂梁可以延長1 m，并于2017年11月在13I09工作面成功使用，實(shí)現(xiàn)了對頂板的安全支護(hù)，同時(shí)利用液壓千斤頂可以隨便調(diào)整頂梁的長度，具有加大的靈活性.

2.8 試驗(yàn)成果分析

1)成巷成果：本試驗(yàn)通過對東懷13I09回風(fēng)巷進(jìn)行沿空成巷實(shí)踐，成功成巷并留巷865 m，實(shí)現(xiàn)了對13I09回風(fēng)巷的整體成巷并留巷的目的(詳見圖9).

圖9 成巷效果

2)沿空成巷經(jīng)濟(jì)效益

(a)可多采30 m煤柱效益：(865 m×30 m×3 m)×1.5 t/m3×350元/ t=4 087萬元；

(b)聯(lián)合支護(hù)成本：4 000元/ m×865 m=346萬元；(U型鋼、包箍、π型梁、錨桿、錨網(wǎng)、錨索、K2335樹脂、人工等合計(jì)約4 000元/m).

(c)巷道維護(hù)成本：120萬元；

經(jīng)濟(jì)效益=a-b-c=3 621萬元.

3 結(jié)論

1)提出了聯(lián)合支護(hù)切頂成巷技術(shù)，能有效地減小圍巖變形.

2)相對傳統(tǒng)的“110”工法，沿空留巷技術(shù)一方面可以大幅降低綜采工作面掘進(jìn)成本，另一方面無煤柱開采大大提高了資源回收率.

3)對刮板機(jī)及超前支架的改造，可以為一般的綜采工作面進(jìn)行沿空成巷解決設(shè)備上不配套的難題，使其適合復(fù)雜多變的南方地質(zhì)條件變化，為南方軟巖條件礦井高效開采煤礦資源提供新思路、新方法，促進(jìn)南方礦井回采工藝水平的提高.

4)沿空成巷技術(shù)在東懷煤礦的成功應(yīng)用，是在沿空留巷技術(shù)上的大膽創(chuàng)新，對于西南地區(qū)煤炭缺乏有重要意義，是對無煤柱開采技術(shù)的又一次技術(shù)上的革新.