巷旁無充填沿空留巷支護技術研究與實踐

彭俊水

(冀中能源股份有限公司顯德汪礦，河北省邢臺市，054103)

無煤柱護巷技術以其在成巷速度、煤炭采出率、瓦斯治理和經濟效益等方面的優越性而受到重視。沿空留巷就是其中應用廣泛的一種無煤柱護巷技術。本文結合冀中能源顯德汪礦的實際情況，嘗試使用巷旁無充填沿空留巷技術獲得成功，取得了較好的經濟效益。

1 工程概況

顯德汪礦是冀中能源集團旗下股份公司的一個主力生產礦井，生產能力170萬t／a。顯德汪礦成立于1982年11月，至今已有30余年的開采歷史，資源日益枯竭，采掘接替緊張，因此推廣沿空留巷技術具有重要的現實意義。

擬留巷的1914工作面位于九采區東翼，開采1＃煤層。工作面埋深337～479m，走向長度750m，工業儲量18.9萬t，可采儲量18萬t。煤層中下部含薄層夾矸，夾矸厚0～0.15m，煤厚0.7～1.9m，平均厚1.16m，局部受構造擠壓變薄。煤層傾角11°～23°，平均傾角17°。工作面頂底板巖性如圖1所示。1914運料巷為梯形斷面，巷道規格為4.2m×2.2m (寬×下幫高)，擬留巷長度580m作為1916工作面的運料巷使用，為了滿足1916工作面通風、行人及支架運輸的要求，留巷凈斷面不小于3.5m×2.4m (寬×巷中高)。

圖1 1914工作面煤巖層柱狀圖

2 沿空留巷礦壓顯現特征

工作面初次回采過后，實體煤幫上方老頂斷裂，并向采空幫方向發生回轉，直接頂也在老頂的回轉壓迫下急劇下沉，產生大量的裂隙，極易發生冒頂。在老頂的下沉中實體煤幫產生應力集中，加劇了淺部圍巖的破壞，承載能力降低。沿空留巷全過程的圍巖變形可以分為以下幾個階段。

(1)初采影響階段。初次回采過程中，老頂破斷，開始回轉變形，留巷的圍巖應力開始重新分布。巷道圍巖塑性區擴大，變形急劇增長。此階段頂板活動劇烈，圍巖變形增大明顯，是沿空留巷最困難的階段，是留巷能否成功的關鍵。

(2)留巷穩定階段。工作面后方一定距離外，采空區上覆巖層的運動趨于穩定，圍巖應力形成一種新的平衡狀態，相比第一階段，此時可適當降低支護強度，減少材料使用，降低成本。

(3)二次回采超前影響階段。下一個工作面回采時，此時回采引起的超前支承壓力和側向支承壓力與上一個工作面的殘余支承壓力疊加。因此，與初次回采相比，此階段圍巖破壞范圍迅速擴大，變形更加劇烈，影響范圍也更大。但此階段支護時間短，只需在已有的支護體系上適當加強即可，維護相對容易。

3 1914工作面沿空留巷支護方案

沿空留巷是一個系統工程，從最初掘進時的支護設計到初次回采時的加強支護到二次回采時的補強支護，應該統籌規劃，在不同階段、不同時期采用不同的支護方式，只有這樣才能在保證留巷成功的同時獲得最大的效益。

研究表明，只有采用合適的巷內支護和巷旁支護才能保證留巷的成功。當前巷旁支護的主要方式有木垛、密集支柱、矸石帶、混凝土砌塊等傳統的支護方式到新興的高水速凝材料和膏體材料等。而巷內支護也從最初的工字鋼、U型鋼發展到現在的錨桿索支護。傳統的巷旁支護方式強度低并且施工復雜，工序繁多，而高水速凝材料和膏體材料等價格昂貴，經濟效益低。如果巷道掘進時采用棚式支護體系，會給留巷后期的補強支護帶來不便，結合顯德汪礦的實際情況，1914工作面沿空留巷決定采用靠幫單體柱強制切頂、錨桿索和單體柱配鉸接頂梁相結合主動支護、錨壓雙層金屬網、加靠幫π型鋼背裱半圓木阻隔冒落矸石形成隔離墻、無人工巷旁充填的總體支護方案。

3.1 巷道基本支護

巷道基本支護是留巷全過程支護體系的主體，其支護質量的好壞直接影響后期留巷維護的難易程度。1914運料巷的支護方案如圖2所示。巷道頂板采用?22mm×2000mm左旋螺紋鋼強力錨桿配金屬梯子梁 (?14mm的A3圓鋼，長4000mm)加CK2333和Z2360樹脂藥卷各一卷加長錨固，間排距為800mm×700mm。頂板打3排?15.24mm×9000mm錨索，靠近回采側巷幫 (也稱采空側巷幫)的一排為聯鎖錨索，其余兩排為邁步錨索。巷幫用?16mm×1850mm普通圓鋼錨桿掛雙抗塑料網配金屬梯子梁及一卷Z2360樹脂藥卷加長錨固，間排距750mm×700mm。

圖2 1914運料巷支護布置圖

3.2 初采階段加強支護

沿空留巷具有頂底板變形量大、深部圍巖塑性區范圍大、淺部圍巖裂隙發育等特點，因此，要求支護體系在減小圍巖變形的基礎上適應圍巖變形，這樣既能保持圍巖完整并阻止圍巖的大變形，還能減少支護體的破壞。因此，需要在巷道原有基本支護的基礎上對巷道頂板和兩幫進行加強支護。加強支護主要分為巷內的補強支護和巷幫的加強支護，巷內補強以單體柱為主，巷幫支護的重點是回采側巷幫采用單體柱配十字鉸接頂梁、接π型鋼壓雙層金屬網并輔以注漿錨桿加固破碎巖石的方法，其總體支護方案如圖3所示。

圖3 初采期超前支護布置圖

3.2.1 初次回采超前支護

根據沿空留巷超前支承壓力分布范圍的分析，將超前支護距離定為30m，此階段的支護主要是對實體煤幫的支護以及為采后回采側巷幫的支護做準備工作。

(1)實體煤側巷幫支護。1914運料巷的下幫作為實體煤幫，是采后頂板壓力的重要承載基礎，變形以臌幫為主。因此在距巷道頂板1200mm處補打一排?15.24mm×6000mm聯鎖錨索，錨索向頂板方向傾斜15°，間距2500mm。

(2)回采側巷幫及巷旁支護。為防止采空區冒落矸石竄入巷道，在回采側巷幫預鋪兩層1.0m×6m的金屬經緯網，并在巷道頂板距幫400mm處補打一排?22mm×2000mm頂錨桿，排距為700mm，配合使用長度為2600mm錨梁固定經緯網。在距巷道中心線1600mm處的回采側巷幫打一排單體柱并配十字鉸接頂梁壓住網片。鋪網要求第一片壓住第二片，搭接長度500mm，并用14＃鐵絲單排聯接，扣距100mm，雙絲雙扣，每扣扭結不少于3圈。

(3)頂板支護。在靠實體煤幫距巷道中心線950mm處打一排單體柱支撐頂板，柱距500mm。要求單體柱必須穿鐵鞋，初撐力不低于90kN。

3.2.2 劇烈變形區支護

工作面回采過后，巷道急劇變形。1914運料巷留巷動壓影響范圍約為工作面后方70m左右，此階段的支護是留巷能否成功的關鍵。

(1)采空幫支護。為防止采空區垮落的矸石竄入巷道，貼近采空幫打一排π型鋼，排距為500mm，用以固定金屬網并切頂。在強制切頂的基礎上，通過頂接十字頂梁、底穿鐵鞋等措施提高支架頂底的摩擦阻力以平衡采空區側向壓力。隨著工作面的推進，先前鋪設的雙層金屬網逐漸展開，與在π型鋼后背裱的半圓木形成了以補打錨桿為固定點的網—矸石阻隔墻，以替代人工巷旁充填進行護幫。其現場支護情況如圖4所示。

圖4 劇烈變形區采空幫支護

在此期間，每天向采空區灑水，加快破碎巖石重新膠結。滯后40m左右補打3排?25mm×2000mm注漿錨桿，最上位錨桿距頂板500mm，間排距800mm×1000mm，兩端錨桿傾斜，中間錨桿垂直巷幫布置，錨桿外露長度不超過100mm，加長度為1900mm的梯子梁護幫，要求錨固力不低于2t。

(2)頂板支護。單體支柱配金屬鉸接頂梁和十字鉸接頂梁 (順巷布置)加強頂板支護，除靠幫的切頂柱之外，加打兩排，分別位于距巷道中心線500mm和1100mm的兩側。靠回采巷幫側的單體柱通過十字鉸接頂梁和切頂柱相連，形成一個整體，增加穩定性，如圖5所示，劇烈變形區總體支護方案如圖6所示。

圖5 單體柱接π型鋼布置圖

圖6 初采期劇烈變形區支護布置圖

3.2.3 變形緩和區和穩定區支護

在工作面后方70～130m，圍巖運動逐漸趨于緩和，此時可撤去靠實體煤幫的單體柱。

工作面后方130m以外，采空區垮落的巖石基本壓實，頂板活動也趨于穩定，此時可視情況撤去所有的單體柱，僅保留π型鋼，并緊靠π型鋼支1排圓木，間距1000mm。為防止采空區漏風，向采空幫噴射混凝土，配比為水泥∶沙子∶石子＝1∶2∶2，厚度要求不低于100mm。

3.3 二次回采時期支護

初采過后，巷道圍巖形成新的應力平衡，變形趨于穩定，在二次回采之前，也就是1916工作面回采時，僅需對巷道超前支護。在距實體煤幫1000mm處和距采空幫350mm處各打一排單體柱支撐頂板，柱距500mm。

4 礦壓觀測結果及經濟效益分析

4.1 礦壓觀測結果及分析

1916工作面自2012年12月中旬開始回采，現已進入回采后期。為了準確掌握留巷的應力形變特點，確保回采期間的安全，總結此次沿空留巷實踐的經驗，在回采過程中設置了測點，采用十字布置法對巷道頂底板和兩幫的相對移近量進行了監測。其中5＃測點從工作面前方超前56m始測，直至工作面推過241m后停止，可以作為典型的留巷全過程變形曲線，其巷道表面位移曲線如圖7所示。

圖7 5＃測點巷道表面位移觀測曲線

由觀測結果可以看出，所留巷道的表面位移量及位移速度表現出明顯的階段性，從工作面前方約20m開始，受超前支承壓力的影響，頂底板和兩幫開始出現移近現象，并在工作面前方10m左右出現峰值。在工作面推過之后，巷道表面圍巖劇烈變形，變形速度在工作面后方12m左右達到峰值，為初采期間的劇烈變形區。之后，變形逐漸變緩，在工作面后方約125m處，變形量基本穩定，保持不變，為留巷的穩定階段。留巷的分階段支護設計與巷道表現出的階段性變形特征相吻合，表明此次留巷支護是合理有效的。

頂底板累計移近量約為690mm，其中底臌量為260mm，可以通過臥底解決。兩幫移近量為450mm。這樣，臥底后所留巷道也就是1916運料巷的規格約為3.75m×2.41m (寬×巷中高)，滿足了生產要求。

4.2 經濟效益分析

沿空留巷不僅少掘一條巷道，而且實現了無煤柱護巷，提高了煤炭的采出率，但在留巷后期也有一定的維修費用。

新掘巷道成本按3500元／m計算，長580m巷道共節省掘進費用203.0萬元；取消了4m的實體煤保護煤柱，按97%的回采率、煤價400元／t計算，可創收177.5萬元；后期沿空留巷的維護成本則包括留巷的支護材料費、人工費用以及臥底整修費用等，按2200元／m計算，共支出127.6萬元。因此1914工作面沿空留巷共創造的經濟效益為節省的巷道掘進費用＋回收煤柱的創收-后期的巷道維護費用，共計252.9萬元。

5 結論

(1)沿空留巷是一項系統工程。從最初掘進時的支護設計到初次回采時的加強支護到二次回采時的補強支護，應該統籌規劃，在不同階段，不同時期采用不同的支護方式，只有這樣才能在保證留巷成功的同時獲得最大的效益。

(2)沿空留巷礦壓顯現可分為3個階段，其中在初采影響階段老頂破斷，開始發生回轉變形。此階段頂板運動劇烈，圍巖變形顯著增大，這是沿空留巷最困難的階段，是留巷能否成功的關鍵。

(3)采用單體柱配十字鉸接頂梁、接л型鋼壓雙層金屬網并輔以注漿錨桿實現了巷旁無充填沿空留巷，留巷工藝簡單，л型鋼架設方便，并且可以調節長度來適應局部巷道高度的變化，對巷道高度變化的適應性好。

(4)如果采區區段平巷采用無煤柱護巷技術，礦井可減少煤柱損失10%～30%，有效地緩解采掘接替，延長礦井的服務年限，經濟效益明顯。

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