王蘇健，王翔宇，劉效賢，錢萬學(xué)，蔚保寧

(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；2.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710065；3.陜西煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司 韓城礦業(yè)公司，陜西 韓城 715400；4.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司 象山礦井，陜西 韓城 715400)

為減少留設(shè)煤柱造成的資源浪費(fèi)、沖擊地壓、瓦斯突出等井下開采的安全隱患，韓城礦區(qū)象山礦近年來在無煤柱沿空留巷技術(shù)上展開了多種嘗試，歷經(jīng)柔模充填、鋼模充填、模箱充填等多種巷旁充填方式進(jìn)行沿空留巷，近幾年也進(jìn)行了切頂卸壓沿空留巷技術(shù)探索與研究，沒有達(dá)到預(yù)期效果。

試驗(yàn)區(qū)煤炭地質(zhì)條件較差，屬于三軟煤層，存在巷道底鼓嚴(yán)重、支護(hù)難度大、支護(hù)成本高、工人勞動強(qiáng)度大、單體損壞率高等問題，無煤柱沿空留巷工藝造成留巷巷道主幫(采空區(qū)側(cè))漏風(fēng)，井下單體液壓支柱及其他中小型設(shè)備主要依靠人工搬運(yùn)，現(xiàn)有圍巖控制技術(shù)與裝備體系已經(jīng)成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。需要開發(fā)一種新的無煤柱開采方式提升經(jīng)濟(jì)效益，保障井下開采的高效性、安全性[1-3]。

1 地質(zhì)條件

象山礦21311綜采工作面屬3#煤層，工作面采用綜采一次采全高走向長壁采煤法，全部垮落法管理頂板。巷道沿煤層走向布置，主進(jìn)風(fēng)巷與21310輔助進(jìn)風(fēng)巷共用一條進(jìn)風(fēng)巷。工作面走向長度(平均)1309.2m，傾向?qū)挾?05m。

輔助進(jìn)風(fēng)巷長度1205m，矩形斷面，凈寬：4.4m，凈高：2.55m，凈斷面：11.22m2。頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)；煤幫采用?22mm×2500mm或?22mm×3500mm全長自鞏錨桿支護(hù)；頂部和副幫鋪設(shè)冷拔絲網(wǎng)，正幫鋪設(shè)菱形網(wǎng)。21311輔助進(jìn)風(fēng)巷巷道原支護(hù)方案如圖2所示。

圖1 21311綜采工作面地層綜合柱狀圖

圖2 21311輔助進(jìn)風(fēng)巷巷道原支護(hù)方案(mm)

2 沿空留巷主控因素研究

無煤柱切頂沿空留巷是沿采空區(qū)頂板布置一排爆破孔，通過定向爆破的方式將頂板切斷，加速采空區(qū)上覆巖層的垮落，釋放頂板壓力。頂板穩(wěn)定性主要有兩個(gè)主控因素，一是切頂高度范圍外的基本頂巖層所組成的頂板“大結(jié)構(gòu)”結(jié)構(gòu)形態(tài)；二是切頂高度范圍內(nèi)具有承載作用的“短懸臂梁”小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?？刂葡锏绹鷰r穩(wěn)定，需要構(gòu)建高強(qiáng)度、高支承力的“短懸臂梁”小結(jié)構(gòu)，對巷內(nèi)支護(hù)體強(qiáng)度提出較高要求。象山礦無煤柱沿空留巷結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 象山礦無煤柱沿空留巷結(jié)構(gòu)模型

2.1 沿空留巷專用單體

象山礦現(xiàn)使用單體易生銹、支柱內(nèi)腔乳化液易發(fā)生油水分離，支柱密封件、彈簧長期處于高承壓狀態(tài)，使密封、彈簧老化失效；支柱底座易脫落、損壞。支柱現(xiàn)場使用損耗量大，投入成本高，應(yīng)用效果差[4-6]。為解決象山礦井下單體液壓支柱存在的問題，取消單體內(nèi)置復(fù)位彈簧，底座與油缸直接焊接，針對伸縮活柱加裝防塵保護(hù)套。

沿空留巷專用單體具有維護(hù)周期長，防腐性能好、支承阻力大等特點(diǎn)，該單體液壓支柱維護(hù)周期為18個(gè)月，支承阻力約350～400kN，完全滿足象山礦沿空留巷的支護(hù)和采掘接續(xù)要求。

2.2 留巷方案及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

在21311輔助進(jìn)風(fēng)巷超前20m主幫(靠近煤體)側(cè)距工作面500mm，間隔500mm，與頂板垂線夾角75°，施工6m深預(yù)裂爆破孔，具體布置方案如圖6所示。裝藥結(jié)構(gòu)選用“3+0+2+0+1”炸藥采用三號煤礦許用乳化炸藥，直徑?32mm×200mm/卷，封孔長度1～1.5m，采用黃泥封實(shí)[7]。

針對工作面超前巷道，在錨網(wǎng)索支護(hù)的基礎(chǔ)上[8-10]，用“短π型梁+沿空留巷專用單體+高強(qiáng)大柱鞋”進(jìn)行超前支護(hù)，工作面滯后留巷巷道采用“π型梁+沿空留巷專用單體”一梁三柱的支護(hù)方式，留巷巷道主幫(采空區(qū)側(cè))采用“鐵絲網(wǎng)+硅錳鋼管”的擋矸方式進(jìn)行擋矸支護(hù)，留巷巷道頂板巖層穩(wěn)定后，采用“隔一拆一”的方式進(jìn)行沿空留巷專用單體的回收。頂板布置5根?20mm×2400mm錨桿，3根?21.8mm×8000mm錨索，副幫在2.6m鋼帶上布置2根?22mm×3500mm全場自攻固錨桿，兩根?20mm×2400mm螺紋鋼錨桿，具體施工方案如圖4所示。

圖4 沿空留巷支護(hù)參數(shù)(mm)

2.3 沿空巷道快速運(yùn)輸裝置

象山礦21311沿空留巷工作面后巷受一次采動和二次采動影響較嚴(yán)重，巷道底鼓量最大可達(dá)1.2～1.5m，為了避免底鼓對井下運(yùn)輸軌道的影響、降低工人勞動強(qiáng)度，使用“氣動單軌吊+貨箱”的運(yùn)輸方式。

氣動單軌吊車是在懸空軌道上，以氣動馬達(dá)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)減速后帶動行走輪沿軌道摩擦行走的設(shè)備。該單軌吊車由軌道、主牽引裝置、安全制動裝置、承載車、控制系統(tǒng)等部分組成。每節(jié)軌道由I140E工字鋼及鏈條、卸扣組成。主牽引裝置由氣馬達(dá)、減速箱等部分組成。減速箱的輸出端與驅(qū)動輪連接，行走輪與軌道腹板貼合，靠摩擦傳動。該設(shè)備主要用于沿空留巷巷道單體及中小設(shè)備的運(yùn)輸。

3 采空區(qū)封閉

針對象山礦21311綜采工作面無煤柱沿空留巷工藝，在沿空巷道主幫肩角處，出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸蕃F(xiàn)象，因此，提出沿空留巷采空區(qū)后巷采用薄噴層封閉技術(shù)，提高采空區(qū)封閉性，防止漏風(fēng)現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)一步提高沿空留巷安全保障技術(shù)[11]。

21311綜采工作面沿空留巷表面封堵防護(hù)技術(shù)，先采用打底材料進(jìn)行表面噴涂找平封閉，然后采用高韌性薄噴材料進(jìn)行表面封閉防護(hù)，新型薄噴防護(hù)材料為無機(jī)柔性噴涂材料，由A、B兩組份組成，使用比例為重量比2∶1。其中A組分為特種水性樹脂膠乳，用塑料桶包裝，每桶重量為25kg；B組分為各種礦物粉體材料，采用防潮密封袋包裝，每袋25kg。打底材料材料為各種礦物粉體復(fù)合材料，采用防潮密封袋包裝，每袋25kg，與水直接混合，水灰比為0.23左右，主要有以下特性：無機(jī)復(fù)合材料，無任何揮發(fā)性有害物質(zhì)(符合環(huán)保要求)；拉伸強(qiáng)度高，變形大，粘結(jié)性強(qiáng)，硬化快，密封性優(yōu)；反應(yīng)溫度低，小于30℃；絕對阻燃抗靜電(煤安標(biāo)準(zhǔn)MT 113—1995)。

21311綜采工作面沿空留巷尾巷，首先采用打底材料進(jìn)行打底封閉，其后，采用高韌性薄噴材料進(jìn)行表面封堵防護(hù)。由于尾巷個(gè)別局部有塌落小型空洞出現(xiàn)，打底厚度根據(jù)現(xiàn)場條件施工，10～20mm即可，其后采用高韌性薄噴材料表面防護(hù)5mm左右即可。

打底材料使用量按照20kg/m2，則每米巷道需要60kg；薄噴材料按照8kg/m2使用量，則每米巷道需要24kg。

4 礦壓監(jiān)測方案及礦壓規(guī)律分析

為研究切頂沿空留巷采動對嚴(yán)控航道的影響，針對象山礦21311輔助進(jìn)風(fēng)巷切頂沿空留巷進(jìn)行了現(xiàn)場礦壓監(jiān)測分析，具體測站布置方案如下[12-15]。

超前工作面30m布置第一個(gè)測站，共設(shè)置12個(gè)測站，測站布置如圖5所示。觀測內(nèi)容包括巷道圍巖表面位移及深部位移、沿空留巷專用單體液壓支柱受力。

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測，21311輔助進(jìn)風(fēng)巷受切頂留巷及采動影響可總結(jié)為四個(gè)部分分析巷道變形及來壓規(guī)律，既超前影響段、采動影響段、穩(wěn)定階段及回柱階段。

由于切頂沿空留巷工藝影響，距采空區(qū)500mm切頂，采空區(qū)巷道幫部與超前巷道幫部移近量差距較大，所以分超前和滯后兩部分對幫部移近量進(jìn)行分析。

4.1 超前影響段監(jiān)測結(jié)果

以距工作面最遠(yuǎn)的11#、12#測站為例，兩測站數(shù)據(jù)能反應(yīng)超前240m范圍內(nèi)巷道表面移近量及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，測站超前階段頂?shù)装?、幫部移近量如圖6、圖7所示。從圖6、圖7可知超前150m范圍內(nèi)，可分為兩個(gè)部分，距工作面150～30m范圍內(nèi)，工作面開采幾乎對巷道無影響，頂板和幫部分僅有微量移近現(xiàn)象，頂?shù)装迤骄平吭?～50mm，12個(gè)測站數(shù)據(jù)中，最大移近量為65mm，最小移近量不足20mm。幫部幾乎無變形，平均移近量約10～25mm。距工作面30m范圍內(nèi)，巷道圍巖受采動影響，圍巖變形率急劇增加，工作面開采超前應(yīng)力集中影響顯現(xiàn)，頂?shù)装逑鲁亮亢蛶筒恳平吭黾樱骄數(shù)装逡平?0～150mm，巷道幫部移近50～70mm。

圖6 11#、12#測站超前階段頂?shù)装逡平?/p>

圖7 11#、12#測站超前階段幫部移近量

綜上，工作面超前段150m范圍內(nèi)，巷道表面位移變化較小，工作面超前30m范圍為采動影響區(qū)域，需加強(qiáng)支護(hù)。

4.2 采動影響區(qū)監(jiān)測結(jié)果

為更準(zhǔn)確分析工作面采動影響范圍，綜合12個(gè)測站數(shù)據(jù)，對3#—5#測站進(jìn)行了工作面滯后100m范圍內(nèi)巷道表面變形量的數(shù)據(jù)分析，如圖8所示。由圖8可以看出，工作面超前影程度遠(yuǎn)小于工作面滯后。工作面滯后5～30m范圍內(nèi)是采動影響最為劇烈區(qū)域，頂?shù)装逡平繛?00～150mm，工作面滯后30m后，采空區(qū)頂?shù)装暹M(jìn)入較為穩(wěn)定區(qū)域。

圖8 3#、4#、5#測站頂?shù)装逡平?/p>

綜上可知，采動影響在工作面前后60m范圍內(nèi)，滯后工作面30m以后巷道頂?shù)装暹M(jìn)入較為穩(wěn)定區(qū)域。

4.3 采空穩(wěn)定區(qū)監(jiān)測結(jié)果

對進(jìn)入采空區(qū)的測站進(jìn)行了單體活注移近量的監(jiān)測，更能精確反映頂?shù)装逡平?。針?#、3#測站進(jìn)行進(jìn)入采空區(qū)后巷道頂?shù)装灞砻嬉平康姆治?，如圖9所示。由圖9可以看出，單體活柱在進(jìn)入采空區(qū)80m范圍內(nèi)再次收縮，下降50～70mm，隨后收縮速率減小并趨于平緩，巷道完全進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域，周移近量不足2mm。

圖9 2#、3#測站頂?shù)装逡平?/p>

綜上，工作面滯后80～120m為巷道表面圍巖緩慢收縮區(qū)域，120m以后完全進(jìn)入采空區(qū)穩(wěn)定區(qū)域，單體或注周收縮量2mm范圍內(nèi)則可視為巷道趨于穩(wěn)定。

4.4 單體回柱階段監(jiān)測結(jié)果

工作面滯后200m的單體支柱采用“隔一拆一”的方式進(jìn)行回收，單體回收后，測站附近頂?shù)装逵形⑿∫平浚x取1#、2#測站回柱時(shí)活柱移近量曲線進(jìn)行分析。如圖10所示，單體支柱回收后10～15m范圍內(nèi)，頂?shù)装逡平坑形⑿∽冃?，變形量不?mm，隨后巷道進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域，月活柱收縮量量不足1mm。由此看出，活柱回柱時(shí)，留巷巷道始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 1#、2#測站回柱影響區(qū)

4.5 工作面滯后巷道寬度分析

由于使用切頂沿空留巷的留巷工藝，切頂后巷道寬度普遍移近500mm左右，所以在此只分析工作面滯后的巷道寬度變化，具體如圖11所示。

圖11 1#、2#測站附近巷道幫部移近量

由圖11可知，分析1#、2#測站切頂后巷幫移近量，切頂后巷道幫部移近量較小，在滯后0～50m范圍內(nèi)為采動影響區(qū)，巷幫移近量增加速率較快，移近量在150mm左右，隨后120m范圍進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)，移近量約為50mm，巷幫總移近量為200mm。

4.6 單體支柱受載變化規(guī)律

本項(xiàng)目單體壓力監(jiān)測通過對超前30m至滯后工作面100m范圍的留巷進(jìn)行，單體壓力表從工作面超前30m開始，每間隔10m布置，共布置15個(gè)，以下選取1#、2#測站分析工作面超前及滯后壓力分布規(guī)律，如圖12所示。

圖12 1#、2 #測站單體壓力

由圖12可知，工作面超前30～25m時(shí)，超前單體壓力較為穩(wěn)定，壓力值為15MPa左右，超前25m至滯后5m時(shí)，單體支柱壓力急劇上升，峰值達(dá)到40MPa，滯后5m至滯后20m范圍內(nèi)，工作面采動對單體壓力影響迅速減小，采空區(qū)頂板垮落逐步壓實(shí)，滯后20m之后，單體壓力進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域。

綜上，采動對單體影響范圍為工作面超前及滯后前后50m范圍內(nèi)，靠近工作面時(shí)單體壓力驟增、驟降，頂板活動劇烈，該階段內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)，保證頂板穩(wěn)定性。

5 沿空留巷圍巖控制效果分析

21310主進(jìn)風(fēng)巷亦使用切頂沿空留巷工藝進(jìn)行留巷，其后巷支護(hù)未使用沿空留巷專用單體。與21310主進(jìn)風(fēng)巷切頂沿空留巷效果相比較，21311輔助運(yùn)輸巷頂?shù)装?、幫部得到較好的控制，工作面前后200m范圍內(nèi)，頂?shù)装蹇傄平繛?80mm，幫部總移近量為200mm，較21310主進(jìn)風(fēng)巷頂?shù)装逡平繙p少90mm，幫部減少150mm。

圖13 新老沿空留巷質(zhì)量對比

21311輔助進(jìn)風(fēng)巷后巷支護(hù)使用新型單體，支護(hù)效果較21310主進(jìn)風(fēng)巷有明顯提高，單體應(yīng)力明顯減小，巷道斷面較為完整。新老沿空留巷切頂時(shí)應(yīng)力峰值無較大差異，后巷穩(wěn)定后，21311輔助進(jìn)風(fēng)巷留巷中部單體平均應(yīng)力較之前有明顯減小，新老沿空留單體受力情況如圖14所示。

圖14 新老沿空留單體受力情況

6 結(jié) 論

1)針對三軟煤層工作面沿空留巷巷道底板底鼓嚴(yán)重，提出了“π型梁+沿空留巷專用單體+高強(qiáng)柱鞋”的支護(hù)方式，有效控制三軟煤層底鼓；

2)在21311輔助進(jìn)風(fēng)巷使用“氣動單軌吊+運(yùn)輸貨箱”的方式主要對單體及井下中小型設(shè)備進(jìn)行快速運(yùn)輸，大大降低井下勞動強(qiáng)度，提高工作效率；

3)開發(fā)了“打底找平+柔性表面噴涂”為一體的沿空留巷專用封閉技術(shù)與工藝材料，有效解決了三軟煤層沿空留巷采空區(qū)封閉問題。

4)受切頂工藝影響，巷道圍巖變行可分為四個(gè)階段：超前工作面30m及滯后30m范圍為采動影響劇烈區(qū)，30～80m區(qū)域?yàn)槌醮畏€(wěn)定區(qū)域，80～120m受到來壓影響為微變形區(qū)，滯后120m后為穩(wěn)定區(qū)。

5)通過對工作面超前、滯后單體支柱壓力的研究發(fā)現(xiàn)，象山礦21311工作面前后20m范圍為單體受壓劇烈區(qū)域，單體壓力峰值約40MPa，其余時(shí)段單體壓力都保持在10～8MPa之間，較為穩(wěn)定。