沿空留巷技術探析及應用

孫永寧

(棗莊王晁煤礦有限責任公司,山東棗莊 277518)

沿空留巷技術探析及應用

孫永寧

(棗莊王晁煤礦有限責任公司,山東棗莊 277518)

本文通過對比沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷以及沿空留巷三種不同的回采巷道布置形式,將影響巷道頂板穩定的各主要因素進行了深入分析,在實際工程中通過對沿空留巷巷道支護技術的逐步改進,探索摸索出了一些定性的結論,提高了沿空留巷在礦井實際應用中的可靠性。

圍巖 沿空留巷 頂板管理 支護形式

為了回收傳統采煤方法中留設的煤柱，采用一定的措施將上一區段的巷道留給下一個區段使用，以減少巷道掘進，最大限度的回收煤炭資源，不僅使礦井可以有效的緩解接續壓力，而且對提高企業綜合效益和延長礦井服務年限具有廣泛意義。

1 沿空掘巷的圍巖應力與變形

工作面沿煤體傾斜方向從采空區邊緣向煤體深部可分為3個不同的礦壓顯現區(圖1所示)。

1.1 采空區邊緣卸載區

在采場圍巖受采動引起應力重新分布過程中，采空區邊緣處煤體一般會產生較大的變形和破壞，煤體承載能力降低，形成原巖應力低的卸載區，其寬度一般為1～3m。

1.2 支撐壓力顯現區

采空區邊緣煤體受采動影響后已基本失去承載能力，上覆巖層支撐壓力向煤體深部轉移，從而形成沿傾斜方向的支撐壓力顯現區，該區影響范圍自煤體邊緣起算一般為15～30m，其中支承壓力峰值距煤體邊緣L0max與煤層堅固系數f0、直接頂板巖石單向抗壓強度Rc、開采深度H、煤層厚度M及煤層傾角a大小有關，一般為10～20m。

1.3 原巖應力區

在支承壓力達到峰值以后，隨遠離煤體邊緣，支承壓力影響逐漸減弱，直至煤體內部一定距離轉入原巖應力狀態。

沿空掘巷巷道位于采空區邊緣煤體卸載區，因而壓力很小，從受力角度來說十分有利于巷道維護。

2 留窄煤柱沿空掘巷的圍巖應力與變形

2.1 當留設的煤柱寬度為1～3m時,巷道位于應力降低區內

掘巷后，由于窄煤柱基本被壓垮而卸載，引起支承壓力重新分布，結果可近似認為支承壓力分布曲線向煤體深部轉移了一段距離。(如圖2所示)。

2.2 當煤柱寬度為3～5m時,巷道部分或全部處于應力增高區

掘巷后，在煤柱和巷道支護共同作用下支承壓力重新分布呈現如圖3所示情形。

圖1 沿煤層傾斜采空區側翼煤體的礦壓顯現

由以上分析可知，無論采用大煤柱還是小煤柱沿空掘巷，回采巷道都處在采場三維應力場范圍附近，煤柱寬度的改變不僅使煤體邊緣應力狀態發生變化，而且使巷道圍巖力學的狀態及變形也有所改變，也就勢必會影響到巷道圍巖的穩定性。由此可見，留窄煤柱護巷沿空掘巷實際上不利于巷道的維護，而且布置巷道時，若煤柱過小，由于靠采空側的煤柱受支承力的影響已呈塑形，容易失穩，片幫嚴重；若煤柱過大，則回采巷道布置在壓力增高區內，將使巷道壓力大，支護困難。

3 沿空留巷的圍巖應力與變形

沿空留巷也為無煤柱護巷，但其圍巖應力與變形與沿空掘巷相差很大。沿空留巷從掘進到報廢在整個服務期間圍巖變形大致經歷七個階段：第Ⅰ階段—巷道掘進期間的圍巖變形；第Ⅱ階段—掘巷穩定后的圍巖流變變形；第Ⅲ階段—在上區段工作面超前支承壓力作用影響引起的圍巖變形；第Ⅳ階段—工作面后方基本頂巖梁斷裂后回轉下沉顯著運動引起的巷道圍巖變形；第Ⅴ階段—在老頂觸矸后，隨著采空區矸石壓實的過程中引起的圍巖變形；第Ⅵ階段—上工作面回采引起的頂板活動，圍巖將保持一定的流變變形；第Ⅶ階段—受本工作面超前支承壓力作用影響引起的巷道圍巖變形。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ、Ⅶ三個階段的圍巖應力和變形規律與沿空掘巷巷道相似，主要區別在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三個階段。因此，回采引起的采空區巖石移動是影響沿空留巷圍巖應力與變形的主要因素。

以上分析可知，留小煤柱的目的是將巷道與采空區隔離，防止采空區的水與有害氣體串入巷道，危及安全生產，但大小不同的煤柱都存在著不同程度的漏風現象，實際上這種護巷煤柱并不能起到隔離采空區有害氣體、水等的作用，相反由于窄煤柱在掘進和回采動壓作用下煤體會發生進一步受壓而破裂，甚至破碎或坍塌，增大其透氣性，形成連續漏風和為采空區提供供氧條件，導致自然發火。

圖2 留窄煤柱(1～3m)沿空掘巷應力重新分布示意圖1—掘巷前;2—掘巷后

圖3 留窄煤柱(3～5m)沿空掘巷應力重新分布示意圖1—掘巷前;2—掘巷后

4 沿空留巷的地質技術經濟適應性分析

4.1 直接頂板巖性

目前除大面積懸露的堅硬難冒落頂板外，沿空留巷對于各種頂板條件具有廣泛的適應性，可適用于中等穩定頂板、易冒落、中等冒落程度和緩慢下沉頂板條件。

4.2 底板條件

除底板很軟會對沿空留巷造成很大困難外，一般底板條件均不構成制約因素。

4.3 煤層厚度和傾角

煤層厚度和煤層傾角的增大，沿空留巷的維護難度增大，目前，沿空留巷一般適用于傾角14°以下，頂板較易冒落的薄煤層及厚度在2m以下的中厚煤層。

4.4 經濟效益

沿空留巷徹底取消了區段煤柱，可使采區煤炭回收率提高10-15%；掘進率降低25-33%，減少了巷道掘進工程量和掘進費用；煤層頂板壓力充分釋放，頂板長期處于采空區邊緣的低壓區，有利于巷道維護，降低了巷道維護成本。

因此，沿空留巷與沿空掘巷相比具有更優越的經濟效益和安全效益。

5 沿空留巷的應用

5.1 礦井地質概況

棗莊王晁煤礦井田內地質構造復雜程度中等，該礦現開采12下煤層，均厚1.25m，其頂板巖性以泥巖為主，均厚2.8m，粉砂巖次之，均厚5.4m，中等冒落頂板；底板直接底為第八層灰巖，均厚2.1m。根據12下煤回采期間的礦壓觀測，工作面后方0-40米范圍內沿空側頂板壓較強烈，一般情況下，工作面后方10-20米處留巷的頂板下沉量最大，50-60米處以外頂板下沉趨于穩定。

5.2 巷道支護方式及材料的選擇

5.2.1 掘進期間巷道受采動影響的圍巖控制

王晁煤礦12下煤回采巷道均沿煤層底板掘進。巷道支護方式為錨網梁+錨索聯合支護方式，錨索使巷道圍巖的自我承載能力及抵抗頂板形能力得到提高，同時提高巷幫煤體的支承力，以便減小留巷期間巷旁切頂阻力。

為便于沿空留巷時巷道維護等工作，巷道設計為矩形斷面，頂幫均用經緯網滿護。巷道采用EBJ—120TP型綜掘機開掘，頂板采用Φ18×1800mm螺紋鋼錨桿支護，間排距為800×1000mm，錨索沿巷道中心線兩側布置，間排距為1500×3000mm，錨索梁采用1.7米11#工字鋼制作。

5.2.2 回采期間巷道受采動影響的圍巖控制

沿空留巷時采用單體液壓支柱配合工字鋼棚支護，沿空留巷緊跟工作面端頭支架進行。鋼棚采用11#工字鋼加工，棚梁長為3.0米，兩端0.1米處分別焊一個防滑板，棚腿長為2.1米。在平行于工作面末排位置的留巷巷道支設棚腿，掛竹笆擋矸，背板木楔腰幫，并在金屬棚靠采空區一側支設雙排密集支柱，防止了采空區破碎矸石竄入留巷段巷道，棚距設為1米。棚梁上接頂及腰幫的木料，其厚度不得小于100mm。

5.3 回采期間采空區管理

工作面采用全部垮落法管理頂板。采空區冒落高度為1.5倍采高左右；當局部懸頂或冒落不充分面積小于2×5m2時，采用打密集柱和戧柱加強切頂管理；大于2×5m2時，采用打戧棚、木垛、密集柱加強切頂管理；大面積懸頂不落時，進行人工強制放頂。

5.4 支護效果

巷道支護采用錨網梁+錨索聯合支護方式與單純使用工字鋼棚支護在相同生產地質條件下相比，頂板下沉量50-150mm，兩幫位移量50-200mm，分別減少了22.2%和39.6%，所留巷道經過簡單修復完全能夠滿足另一工作面使用。

6 結語

改善采區巷道受壓變形，除了應用加強巷道支護強度的方法以外，采用合理的礦壓控制手段減輕巷道受壓，充分利用圍巖本身的自穩能力，迫使巷道載荷轉移，達到減輕受壓的目的；同時加強巷道頂板控制技術的設計和革新，是改善礦井安全生產條件和技術經濟效果的重要途徑，具有深遠的經濟和社會效益。

[1]郭忠平,樊克恭,王立朝.提高復雜厚煤層放頂煤開采頂煤回收率的研究[M].徐州：中國礦業大學出版社,1997.

[2]馬念杰,侯朝炯.采準巷道礦壓理論與應用[M].北京：煤炭工業出版社,1995.

[3]李琰慶.沿空留巷圍巖的失穩機理與控制技術[J].中國科技論文在線精品論文,2011.