呂 龍

（山西壽陽潞陽祥升煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

任何一種沿空留巷技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，都要針對具體的煤層賦存條件、開采技術(shù)條件等各種相關(guān)影響因素進(jìn)行嚴(yán)格的計算和各項參數(shù)設(shè)計，事先要有穩(wěn)定可靠的技術(shù)預(yù)案保障[1-4]；因此，本著安全第一、可靠高效的原則，設(shè)計適用于上覆采空區(qū)近距離煤層的沿空留巷技術(shù)與工藝，是祥升煤業(yè)6 號煤層運(yùn)用沿空留巷回采工藝時面臨的重要問題，需要認(rèn)真謹(jǐn)慎、科學(xué)合理地選擇和設(shè)計沿空留巷技術(shù)方案，達(dá)到礦井安全高效開采的要求。

1 工程背景

祥升煤業(yè)6202 工作面開采6 號煤層，煤層厚度0.80～2.31 m，平均1.80 m。工作面寬度為200 m，煤層埋深250 m。6 號煤層工作面位于上方3 號煤層采空區(qū)下部，與3 號煤層的層間距為7.05～13.16 m，平均9.61 m，頂板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。

2 工作面開采數(shù)值模擬

2.1 模型建立

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)LAC3D等數(shù)值模擬軟件也越來越多地被應(yīng)用到采場及巷道圍巖控制研究中，在求解采礦工程問題中得到成功且廣泛的應(yīng)用。工作面煤層開采數(shù)值模擬力學(xué)示意圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模型計算力學(xué)模型示意圖

2.2 模擬結(jié)果與分析

由圖2 所示的6 號煤層開采后采場圍巖塑性區(qū)分布圖可知，上部3 號煤層開采后，6 號煤層工作面處于上部3 號煤層采空區(qū)下方的應(yīng)力降低區(qū)，有利于該工作面回采巷道及采場頂板巖層控制。但由于2 層煤之間夾有厚且堅硬的粉砂巖層，因此，6 號煤層工作面可形成穩(wěn)定的基本頂巖層結(jié)構(gòu)。6 號煤層所在深度的原巖應(yīng)力約為7 MPa，3 號煤層采空區(qū)的垂直應(yīng)力為1.97 MPa，6 號煤層頂板的垂直應(yīng)力約為4 MPa，僅為原巖應(yīng)力的57 %。6 號煤層底板的垂直應(yīng)力約為5 MPa，為原巖應(yīng)力的71%。

圖2 3 號煤層開采后采場圍巖垂直應(yīng)力云圖

分析圖3 所示的6 號煤層開采后采場圍巖垂直應(yīng)力俯視圖可知，6 號煤層未開采前處于3 號煤層采空區(qū)下方的應(yīng)力降低區(qū)，煤層受到的垂直應(yīng)力較小。但由于6 號煤層頂板粉砂巖層能夠形成穩(wěn)定的基本頂結(jié)構(gòu)，6 號煤層工作面前方也存在超前支撐壓力影響，尤其是在工作面端部及回采巷道幫部受回采超前影響較大，該部位的垂直應(yīng)力約為11 MPa，為原巖應(yīng)力的1.57 倍。6 號煤層回采后，不僅其自身頂板巖層結(jié)構(gòu)垮落失穩(wěn)，上方3 號煤層已垮落的頂板巖層結(jié)構(gòu)也會進(jìn)一步垮落，因此造成6 號煤層工作面采空區(qū)周圍出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中區(qū)，采空區(qū)周圍應(yīng)力集中區(qū)的垂直應(yīng)力峰值可達(dá)15.4 MPa，為原巖應(yīng)力的2.2 倍。

圖3 6 號煤層開采后采場圍巖垂直應(yīng)力俯視圖

3 沿空留巷方案設(shè)計

3.1 支護(hù)方案設(shè)計

1）掘巷期間支護(hù)設(shè)計。頂板采用“錨桿+鋼帶+鋼筋網(wǎng)+ 強(qiáng)力錨索”的聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿直徑20 mm，長2 400 mm，每排7 根，間排距為900 mm×900 mm；錨索直徑21.8 mm，長度6 300 mm，每排3 根，間排距為1800 mm×1800 mm。兩幫采用“錨桿+托盤+菱形金屬網(wǎng)”支護(hù)方式護(hù)幫，兩幫錨桿直徑為20 mm，長度2 000 mm，非采幫選用螺紋鋼錨桿，每排4 根，間距排800 mm×900 mm，而采幫選用玻璃鋼錨桿，每排3 根，間排距1 000 mm×900 mm。

2）留巷期間支護(hù)設(shè)計。沿空留巷是在工作面原有巷道與采空區(qū)之間構(gòu)筑巷旁墻體，將原有巷道維護(hù)好以便二次利用，由于受強(qiáng)烈采動影響，巷道圍巖變形速度快，圍巖變形量和破碎區(qū)大，為了確保留巷效果，加強(qiáng)頂板控制，減少下沉量，控制圍巖大變形以滿足巷道二次復(fù)用的要求，在掘巷期間一次支護(hù)的基礎(chǔ)上，回采前需進(jìn)行留巷巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)。

本方案設(shè)計在留巷頂板一次支護(hù)未施加錨索的2 排錨桿之間，施工1 根強(qiáng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)（如圖4所示），從而可有效控制留巷頂板圍巖的完整性。加強(qiáng)錨索直徑為21.8 mm，長度為6 300 mm，每排1根，排距1 800 mm。

圖4 巷道支護(hù)平面圖

3.2 柔?；炷亮粝锸┕?/h3>

在對比分析當(dāng)前多種留巷方法的基礎(chǔ)上，本次設(shè)計選擇快速高效且性能優(yōu)良的堆噴混凝土工藝構(gòu)筑沿空留巷巷旁墻體，實(shí)現(xiàn)6202 工作面無煤柱開采。

1）巷旁墻體施工位置選擇。沿空巷道構(gòu)筑巷旁墻體施工的典型狀況是巷道表面平整且多為矩形斷面、已施工錨網(wǎng)索支護(hù)、一側(cè)靠近實(shí)體煤或采空區(qū)、底板淺部巖層松軟（如底煤、泥巖等），對應(yīng)采取的高效堆噴快速構(gòu)筑混凝土墻的施工技術(shù)方法為：施工巷旁墻體位置可以選擇在超前工作面貼近實(shí)體煤幫，也可以選擇在工作面支架后方靠近采空區(qū)位置。墻體上方在巷道掘出后已施工錨網(wǎng)索支護(hù)，目的是使原有支護(hù)的頂板錨桿索外露端頭及鋼帶、鋼筋梯子梁進(jìn)入堆噴形成的混凝土墻體內(nèi)，增加墻體的穩(wěn)定性及巷道圍巖的整體性[5-6]。

根據(jù)6202 工作面的工程技術(shù)條件，巷旁墻體厚度設(shè)計為1.5 m，沿巷道寬和高全斷面堆噴施工成形。當(dāng)超前工作面貼近實(shí)體煤幫構(gòu)筑巷旁墻體時，為了不影響工作面通風(fēng)，先超前工作面按照間距2 m，間隔構(gòu)筑長×寬×高=2 m×1.5 m×3 m 的墻體（支撐柱），在工作面支架后方及時二次堆噴混凝土補(bǔ)齊墻體。當(dāng)在工作面支架后方靠近采空區(qū)位置構(gòu)筑巷旁墻體時，可一次連續(xù)堆噴成墻。

2）清理巷道底板。施工墻體位置確定后，當(dāng)巷道底板為煤層、泥巖等軟巖時，必須清理墻體位置的底板軟巖浮渣，使墻體落在實(shí)底上，保證墻體的整體穩(wěn)定性。

3）采空側(cè)臨時擋板設(shè)置。當(dāng)選擇在超前工作面位置貼近實(shí)體煤施工墻體時，可不設(shè)置零時擋板。當(dāng)選擇在工作面端頭支架后方靠近采空區(qū)施工墻體時，為了使靠近采空側(cè)的墻體成形規(guī)整，因地制宜利用井下廢棄木柱、木板、風(fēng)筒布、廢舊皮帶等材料，在靠近采空側(cè)沿巷道全斷面設(shè)置一個簡易的臨時擋板，該臨時擋板在堆噴施工巷旁墻體過程中發(fā)揮阻擋作用，目的是使靠近采空側(cè)的巷旁墻體成形規(guī)整。

4）堆噴材料現(xiàn)場準(zhǔn)備。臨時擋板設(shè)置好、堆噴施工巷旁墻體前，現(xiàn)場確保堆噴所需設(shè)備和材料準(zhǔn)備到位且充足。

5）堆噴施工巷旁墻體。

上述準(zhǔn)備工作完成后，開始堆噴施工巷旁墻體。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 巷道圍巖位移變形監(jiān)測

采用十字點(diǎn)觀測法對沿空留巷巷道圍巖變形量進(jìn)行觀測，巷道內(nèi)布置7 個頂?shù)装逦灰朴^測儀，分別位于留巷段迎頭 30、60、100、150、290、360、430 m。以迎頭290 m 處觀測點(diǎn)為例，該點(diǎn)巷道圍巖變形量見圖5，頂?shù)装遄畲笠平?73 mm，兩幫變形量最大為140 mm，變形量隨時間的推移逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 巷道圍巖變形量

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

6202 工作面煤體容重為1.4 t /m3，護(hù)巷煤柱按20 m 計算，則每米沿空留巷可多回收的煤炭資源為50.4 t。根據(jù)目前的煤炭市場價格，6 號煤的利潤約為200 元/t，則實(shí)施沿空留巷多回收煤炭資源帶來的經(jīng)濟(jì)效益為10 080 元/m。

5 結(jié) 語

根據(jù)祥升煤礦6 號煤層工作面回采圍巖運(yùn)動模擬結(jié)果，采用柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)，設(shè)計了合理的支護(hù)方案，經(jīng)現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)與圍巖觀測，巷道圍巖變形較小，回收了區(qū)段護(hù)巷煤柱，為礦井帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。