神府礦區淺埋薄基巖煤層沿空留巷技術的應用研究

李 雄

（榆林神華能源有限責任公司郭家灣煤礦，陜西 神木 719300）

1 礦區地質情況介紹

1.1 礦區地層

陜北侏羅紀煤田神府礦區地層屬華北地層區，鄂爾多斯地層分區，東勝-環縣地層小區。根據地質鉆孔揭露的地質信息，礦區地層依次為：（T3y）三疊系上統延長組，（J1f）侏羅系下統富縣組，（J2y）侏羅系中統延安組、直羅組（J2z）、安定組（J2a），白堊系下統洛河組（K1l），新近系（R）及第四系（Q）[1]。

1.2 新民礦區地質情況

該礦區位于鄂爾多斯盆地斷帶，中朝大陸板塊，區內地形較復雜，地貌類型多樣。西部與毛烏沙漠相鄰，區內受其影響，沙丘、沙梁、沙坡、沙地屢見不鮮；東部溝壑縱橫，梁峁相間，地形支離破碎，多為離石組黃土覆蓋，地表植被稀疏，水土流失較嚴重。屬半干旱大陸季風性氣候，降水量遠小于蒸發量，四季分明，冬春兩季多受風沙危害和影響。地表水系均屬黃河水系，主體水流為北西-南東向[2]。

1.3 可采煤層

井田內達到全區可采和局部可采的煤層共有7層，由上到下為4-2上-1、4-2上-2、4-3、4-4、5-1上、5-1、5-2號煤層，各煤層的位置、厚度、結構、頂底板巖性、平面特征及可采性由于篇幅原因暫不詳述。本文主要針對5-1、5-2號煤層的沿空留巷技術開展研究[3]。

2 沿空留巷有關的技術條件

2.1 主要可采煤層頂底板情況

2.1.1 煤層頂板穩定性

5-1號煤層頂板屬不穩定～較穩定型（Ⅰ～Ⅱ），零星地段屬穩定型（Ⅲ）。5-2號煤層頂板以中細粒砂巖及粉砂巖為主，局部為泥巖，巖石質量指標RQD＝100%，巖體完整，基本屬較穩定～穩定型（Ⅱ～Ⅲ）。

2.1.2 煤層底板穩定性

5-1號煤層底板以泥巖、粉砂巖為主，細粒砂巖零星分布，巖體較完整，RQD＝80%，屬不穩定～較穩定型（Ⅰ～Ⅱ）。5-2號煤層底板以粉砂巖、泥巖為主，細粒砂巖局部分布，巖體較完整～完整，RQD為84%～93%，屬于較穩定型（Ⅱ）。

2.2 瓦斯

依據地質報告，井田內共采集瓦斯樣品108個，均為現場解吸瓦斯煤樣。測試結果表明，各煤層現場解吸瓦斯量均為零。化驗室測定成果中，瓦斯自然成分中N2的含量為72.58%～100%，CH4氣含量為0～14.36%；煤層瓦斯含量中CO2的含量為0～2.39 m3/t，CH4含量為0～0.39m3/t。根據瓦斯分帶標準，井田煤層瓦斯分帶均屬瓦斯風化帶，主要為氮氣-二氧化碳帶和氮氣帶。

另據周邊小煤礦調查資料，各礦歷史開采過程中均未發生過瓦斯爆炸事故。同時，本礦井西部的大柳塔礦井、哈拉溝礦井和石窯店礦井等生產礦井均屬于瓦斯礦井。

3 沿空留巷基本機理與圍巖控制技術

沿空留巷是維護在工作面后方的采空區邊緣巷道，即在工作面回采過程中，通過有效的巷旁充填和巷內支護技術，將原巷道保留下來，作為鄰近工作面的一條巷道使用向，如圖1所示[1]。

圖1 沿空留巷

沿空留巷是一類特殊的回采巷道，受強烈的上覆巖層活動全過程影響，特別是滯后采動壓力影響時間長，附加采動應力集中系數大，圍巖破壞范圍大，巷道難以穩定。采場礦壓理論認為：隨著工作面的推進，基本頂初次來壓形成“O-X”破斷；周期來壓在工作面端頭形成弧形三角塊，沿空留巷在其下方，弧形三角塊的運動及是否再次破斷對巷道圍巖的穩定起到控制作用[1]。

4 沿空留巷基本頂破斷機理

不同的支護方式會影響基本頂的破斷位置和形態，高阻力的巷旁支護切頂高度大，冒落矸石能充填滿采空區承載更上位巖層，減少巷旁支護體載荷；實煤體幫的高強度錨桿支護可減少基本頂斷裂線距實煤體幫表面的距離，減少作用在巷旁支護上的載荷，從而減少頂板下沉量；高強度巷內支護和巷旁支護（主要是巷旁支護）可能使基本頂斷裂線由實煤體上方向采空區一側轉移[4]。高強度的巷旁支護首先在充填體采空區側上方將基本頂切斷，當切頂達到一定高度后，充填體沒有能力再繼續切斷更上位基本頂時，基本頂就會在實煤體上方再次發生斷裂。

基本頂第1次破斷：位于工作面后方的實煤體側上方，基本頂初次來壓形成“O-X”破斷向[5]。此時，由于巷旁支護還未很好起到支撐作用，弧形三角塊破斷時受到巷旁支護的支撐作用小，當達到極限跨度時，弧形三角塊首先在實煤體側發生第1次斷裂。

基本頂第2次破斷：在充填體側（采空區側）上方。隨著工作面的進一步推進，關鍵塊以斷裂線為轉動支點向采空區側旋轉，旋轉角度不斷增大，此時，巷旁支護體已具有較高的強度，在切頂阻力作用下，關鍵塊在充填體采空區側上方發生第2次斷裂。

大量的實測表明，在第一個工作面推過后，沿空留巷頂板巖層活動劇烈，具有明顯的階段性活動特點。為此，沿空留巷圍巖變形劃分為三個階段，即一次采動影響階段、留巷穩定階段和二次回采超前影響階段。

5 沿空留巷充填材料與快速充填技術研究

目前，國內較為成熟的充填材料有混凝土材料和高水材料，其中沿空留巷行旁充填混凝土設計與普通混凝土設計相比，砂率要比普通混凝土大，通常情況下為45%～50%；石子的最大粒徑要與輸送管的直徑及柔模厚度相適應，通常最大粒徑小于20 mm，一般采用5～16 mm；攪拌的混凝土水灰比取0.4～0.6為宜；坍落度宜為180～250 mm。

高水材料本身和相關技術已經完善，在多個礦務局現場實施后，留巷效果良好。其本質是一種能在高水灰比（W/C=1.3:1～3:1）下快速凝結的特種水泥。為便于使用，該材料出廠后分為甲料、乙料、加甲料及加乙料四部分，制漿時加甲料與甲料混合形成甲料漿，高水材料在使用過程中要注意甲、乙兩種料混合均勻、等量進漿，這樣更容易讓強度達到最大。漿液輸送應采用雙液等量注漿泵，分別將已攪拌均勻的漿液輸送到充填點。選用2ZBSB20050/515-37液壓注漿泵，該泵最大排量為200 L/min，最大輸送壓力可達15 MPa，輸送距離達2 000 m。

巷旁充填系統的布置如圖2所示，主要環節包括井下充填泵站、輸送管路、充填點。

圖2 充填泵站布置

充填工藝與流程如下：首先，按比例將當天需要的料進行配備，并由卸料工將當天所需料搬運到充填泵站各自的存放處，注意避免混放。其次，在充填點進行搭建模型，然后構筑巷旁充填體。對充填空間區域頂板進行支護，根據巷道已經構筑好的充填體快速定位好充填空間位置，必須做到滿足安全要求。最后，進行充填，在充填泵站，甲料、乙料分別在攪拌桶進行攪拌，最好預留一個備用的攪拌桶，攪拌好的料分別通過管道輸送至構筑好的充填模型中進行混合，便完成了整個澆筑，充填體將在短時間內達到強度要求。

6 采用沿空留巷的效益分析

6.1 緩解接續緊張

沿空留巷實現了一巷兩用，能顯著降低巷道掘進率，緩解采掘接替矛盾。沿空留巷技術可實現連續開采。同時，無煤柱沿空留巷節約了區段煤柱，可提高采區采出率10%，具有顯著的經濟效益。

6.2 Y型通風促進了采面安全生產

沿空留巷使系統兩進一回，工作面的上下巷都進風，留巷末端是系統風壓的最低點，采空區漏風主要流向留巷，回采工作面形成Y型通風，采用Y型通風與U型通風相比，更符合風流運動規律，消除了工作面上隅角瓦斯積聚問題。同時，工作面運輸、供電、供水等管路都安設在新鮮風流中，回風巷成為專用回風巷，因而顯著提高生產系統的安全性。另外，沿空留巷可作為瓦斯抽放巷，可抽放相鄰煤層瓦斯以便其安全開采[5]。

6.3 降低了掘進施工風險，有利于礦井安全生產

無煤柱開采在很大程度上消除了自然發火的根源和概率，同時，沿空留巷在已掘進的巷道施工，地質情況清楚，施工條件可靠，施工設備簡單，無需防突打鉆，無需局部通風，減少了施工安全隱患。

1 陳炎光，錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，1994.

2 劉 奎.大跨度切眼巷道圍巖變形破壞機制及控制[J].煤炭與化工，2015，38（2）：84-85.

3 李思超，神文龍，劉 洋.大斷面動采煤巷變形破壞規律及控制技術[J].煤炭技術，2015，（11）：85-87.

4 弓培林.大采高采場圍巖控制理論及應用研究[M].北京：煤炭工業出版社，2010.

5 牛少卿，楊雙鎖，李 義，等.大跨度巷道頂板層面剪切失穩機理及支護方法[J].煤炭學報，2014，39（2）：325-331.