何 超

（國(guó)投煤炭有限公司，北京 100120）

1 工程概況

山東省滕州市曹莊煤炭有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱曹莊煤礦）位于滕州市西崗鎮(zhèn)，隸屬于滕州市管轄，礦井核定生產(chǎn)能力45萬(wàn)t/a，主要開(kāi)采3下、12下、16#、17#煤（截止目前僅開(kāi)采了3下煤），采用立井開(kāi)拓，共劃分二個(gè)生產(chǎn)水平，第一水平標(biāo)高-65m，主采3下煤層；第二水平標(biāo)高-180m，主要開(kāi)采12下、16#、17#煤層，正在生產(chǎn)的采煤工作面為-65m水平3下煤層的328工作面，接續(xù)工作面為12下煤層的12104工作面，12下煤層共布置2個(gè)采區(qū)，分別位于軌道暗斜井的南、北兩側(cè)；南側(cè)為一采區(qū)（121采區(qū)），北側(cè)為二采區(qū)，12下煤層一采區(qū)（121采區(qū)）地面相對(duì)位于工業(yè)廣場(chǎng)東部，目前，121采區(qū)開(kāi)拓準(zhǔn)備工作已基本就緒，各生產(chǎn)系統(tǒng)已形成，現(xiàn)已形成12104、12105、12106、12107四個(gè)回采工作面，121采區(qū)12下煤層均厚0.84m，采用綜合機(jī)械化采煤工藝，采高1.3m，工作面材料巷和運(yùn)輸巷均沿12下煤層底板破頂施工，這些工作面為本次沿空留巷設(shè)計(jì)研究的對(duì)象。

2 121采區(qū)沿空巷原有支護(hù)設(shè)計(jì)

曹莊煤業(yè)121采區(qū)的12104運(yùn)輸巷、12105軌道巷和12106運(yùn)輸巷進(jìn)行沿空留巷，這幾條巷道斷面和支護(hù)形式相同，矩形斷面支護(hù)后凈斷面寬×高=2.6×1.9m，支護(hù)方式為錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)，頂板和兩幫錨桿采用直徑18mm，長(zhǎng)度1800mm的左旋螺紋鋼，托盤長(zhǎng)×寬×厚=150×150×6mm，頂板錨桿間排距均為800mm，兩幫間排距為1000mm×800mm；頂板錨索采用Φ15.24×L6000mm的1×7預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用圓托盤直徑為250mm，厚度為8mm，間排距為1200mm×1600mm。錨索梁采用12＃槽鋼加工制作，長(zhǎng)度2200mm。金屬網(wǎng)采用Φ4mm圓鋼焊制的方格網(wǎng)（長(zhǎng)×寬=1.8m×0.9m），網(wǎng)格0.1m×0.1m，相鄰的金屬網(wǎng)間采用預(yù)留接頭連接，連接長(zhǎng)度不少于60mm，并用錨桿托盤背牢。

3 沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)

12下煤層的直接頂板主要為黑色泥巖，有時(shí)為砂泥巖，厚6m。根據(jù)臨近泉上礦資料，12下煤層的直接頂板裂隙發(fā)育、性脆易碎，開(kāi)采過(guò)程中隨采隨冒，無(wú)空頂現(xiàn)象，頂板類型為Ⅱ類。直接底板為泥巖，厚度0.1m～0.6m。根據(jù)泉上煤礦12下煤層沿空留巷開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合曹莊煤礦121采區(qū)工作面順槽原有支護(hù)實(shí)際，設(shè)計(jì)確定12104工作面運(yùn)輸巷在原有“錨桿+錨索+錨網(wǎng)+錨索梁支護(hù)”的基礎(chǔ)上，采用“超前加強(qiáng)支護(hù)+鋪網(wǎng)護(hù)幫+滯后加強(qiáng)支護(hù)”沿空留巷工藝。

3.1 超前加強(qiáng)支護(hù)

12104運(yùn)輸巷超前支護(hù)采用11#工字鋼鋼棚配合單體支柱形式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，鋼棚腿的下端焊有一鐵板，以防陷入底板，棚腿與底板的夾角為80°，并插在堅(jiān)實(shí)的底板中，棚與棚之間采用背板和撐木連接，每棚不少于3棵支柱，一排靠上幫，一排靠上幫運(yùn)輸巷刮板輸送機(jī)溜槽沿，一排靠下幫刮板輸送機(jī)溜槽沿，并留有不小于800mm寬的人行道，棚距800mm；超前支護(hù)距離不少于20m。

3.2 留巷側(cè)端頭及鋪網(wǎng)支護(hù)

工作面上、下端頭使用端頭支架支護(hù)，工作面上、下端頭兩巷處采用單體液壓支柱配合11#工字鋼鋼梁進(jìn)行維護(hù)，12104工作面回采超前20m支護(hù)空間時(shí)，先利用單體液壓支柱交替更替巷道頂梁和靠近采空區(qū)一側(cè)的棚腿，鋪設(shè)金屬網(wǎng)。巷道頂棚用采用長(zhǎng)度2400mm的長(zhǎng)梁，靠近采空區(qū)一側(cè)的棚腿用單體液壓支柱代替。為了防止采空區(qū)冒落的矸石竄入所留巷道內(nèi)，采取必要的擋矸措施，支護(hù)方法是采用懸掛金屬網(wǎng)并支設(shè)金屬支柱相結(jié)合的方式擋矸。鋪設(shè)金屬網(wǎng)后，用單體液壓支柱靠緊采空區(qū)巷道一幫，越靠緊越好，由于金屬網(wǎng)與支柱之間有一定的間隙，故用方木、木楔擠緊，如圖2所示。金屬網(wǎng)為Φ4mm圓鋼焊制的方格網(wǎng)（長(zhǎng)×寬=1.8m×0.9m），網(wǎng)格0.1m×0.1m，金屬支柱為單體液壓支柱，待巷道穩(wěn)定后更換成11#工字鋼棚。

圖2 擋矸網(wǎng)布置示意圖

3.3 滯后加強(qiáng)支護(hù)

根據(jù)相鄰礦井12下煤層沿空留巷經(jīng)驗(yàn)，需要滯后60m范圍內(nèi)采用兩棵單體支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。留巷期間對(duì)巷道進(jìn)行礦壓觀測(cè)，密切關(guān)注巷道圍巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)后，即可對(duì)單體支護(hù)進(jìn)行回撤。12104運(yùn)輸巷留巷支護(hù)后巷道斷面如圖3所示。

圖3 12104運(yùn)輸巷留巷后支護(hù)斷面

4 沿空留巷可行性預(yù)測(cè)

根據(jù)德國(guó)埃森研究院對(duì)260個(gè)沿空留巷采煤工作面的統(tǒng)計(jì)，得出反映頂?shù)装遄罱K收斂量影響因素的回歸公式[1～2]：

式中：KEV為巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近率，即變形后巷道高度與初始高度之比，單位：%；SV為巷旁支護(hù)強(qiáng)度指數(shù)，若為剛性支護(hù)SV=1，若采用木垛支護(hù)SV=2，若無(wú)巷旁支護(hù)SV=3；GL為底板堅(jiān)固性指數(shù)，砂巖底板GL=1；砂頁(yè)巖底板GL=2；泥頁(yè)巖底板GL=3；植物根化石底板GL=4；煤層底板GL=5，煤；H為巷道平均埋深，單位：m；M為工作面采高，單位：m；

巷道底鼓率SH計(jì)算公式為[3～4]：

曹莊煤炭121采區(qū)平均埋深為220m，采高1.3m，12104運(yùn)輸巷巷旁支護(hù)指數(shù)為3，底板為泥巖，巖性指數(shù)為 3，將以上參數(shù)帶入式（1）～（2）得，12104運(yùn)輸巷頂?shù)装遄罱K收斂量約為16.7～22.7%，底板底鼓率為5.4%，巷道原高度為2.0m，則預(yù)計(jì)底板最大底鼓量為108mm，頂板最大下沉量為407mm，圍巖變形量較小，適當(dāng)修復(fù)后，可以滿足二次使用要求，在12104運(yùn)輸巷采用架棚和單體液壓支護(hù)配合實(shí)現(xiàn)沿空留巷具有可行性。

圖5 巷道圍巖表面位移觀測(cè)結(jié)果圖

5 應(yīng)用效果監(jiān)測(cè)

為檢驗(yàn)曹莊煤礦12104運(yùn)輸巷采用“超前加強(qiáng)支護(hù)+鋪網(wǎng)護(hù)幫+滯后加強(qiáng)支護(hù)”沿空留巷工藝的效果，12104工作面回采期間，在12104運(yùn)輸巷采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，整理得到圖5所示的結(jié)果。圖5（a）所示為12104運(yùn)輸巷留巷期間頂?shù)装逦灰屏康淖兓?guī)律，留巷支護(hù)完成后，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，巷道表面位移速率逐漸減小，最終趨近于零，頂板最大下沉量為197mm，底板最大底鼓量為28mm，頂?shù)装遄畲笙鄬?duì)移近量為225mm；圖5（b）為12104運(yùn)輸巷留巷期間兩幫位移量的變化規(guī)律，兩幫的變形主要集中在滯后工作面200m范圍內(nèi)期間，變形速率逐漸減小并趨近于零，實(shí)體煤幫側(cè)表面最大位移量為97mm，采空區(qū)側(cè)表面最大位移量為16mm，兩幫最大相對(duì)移近量為113mm；綜上可知，12104運(yùn)輸巷留巷期間圍巖位移量較小，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修復(fù)后可以滿足使用。

6 結(jié)論和建議

為解決山東省滕州市曹莊煤礦礦井采掘接替緊張的難題，提高工作面采出率、巷道利用率，設(shè)計(jì)在該礦的121進(jìn)行沿空留巷技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，依據(jù)其詳細(xì)的地質(zhì)條件進(jìn)行理論分析、數(shù)值計(jì)算，設(shè)計(jì)采用“超前加強(qiáng)支護(hù)+鋪網(wǎng)護(hù)幫+滯后加強(qiáng)支護(hù)”沿空留巷工藝，計(jì)算預(yù)測(cè)沿空留巷期間頂板移近量為0～515mm，底鼓量為0～108mm，能夠滿足工作面安全生產(chǎn)的斷面需求，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，12104運(yùn)輸巷留巷支護(hù)完成后，兩幫移近量最大為113mm，底板最大移近量為225mm，斷面收縮率約為16%，經(jīng)過(guò)修復(fù)后可以滿足使用，山東省滕州曹莊煤炭有限責(zé)任公司開(kāi)展12下煤層采用巷內(nèi)錨桿+錨索+錨網(wǎng)+托梁與架棚和單體液壓支護(hù)配合實(shí)現(xiàn)沿空留巷是可行的。