首采工作面外圈留巷維護技術研究與應用

李 偉

（潞安集團李村煤礦建設管理處，山西 長治 046000）

1 研究背景

李村礦井采用立井單水平（+370m）開拓方式，1301綜采工作面為首采工作面，其可采長度441m，工作面長度240m，可采儲量70萬t，巷道布置方式為“雙U+高抽”。外圈兩條巷道分別為1301工作面進風巷、1301工作面運輔助回風巷，凈區段煤柱寬度分別為25m、45m。根據對礦井開拓部署的優化，計劃對兩條外圈巷道留巷復用，分別作為南部帶式輸送機大巷、南部行人進風巷，可減少開拓工程量990m。

相鄰的趙莊、霍爾辛赫等生產礦井工作面外圈留巷煤柱均在50～60m左右，且李村礦井較周邊礦井埋深更大，地應力較高，尤其是1301工作面進風巷留巷難度非常大。因此，開展深井、高應力外圈動壓巷道維護技術研究和實踐非常必要。1301工作面巷道布置圖見圖1。

圖1 1301首采工作面巷道布置圖

2 現場工程條件

1301首采工作面開采的3號煤厚平均厚約4.85m，傾角平均為3°，煤層結構簡單，層位、厚度均穩定。3號煤層頂板主要為泥巖和砂質泥巖，底板主要為泥巖和砂巖。1301工作面總體呈一西傾單斜構造，傾向229°～263°，傾角0°～6°，工作面南部坡度較大，北部較緩。1301工作面范圍內地質條件較為簡單，局部地方底板可能出現起伏變化，形成小型向斜及背斜，在向斜及背斜轉折端會造成煤巖裂隙發育，出現淋水、滴水現象。圍巖柱狀見圖2所示。

圖2 1301工作面圍巖柱狀圖

李村礦井煤巖體地質力學參數測試結果顯示，南翼進風石門和中央回風石門兩測站最大水平應力分別為23.26MPa和22.15MPa，最小水平主應力分別為11.76MPa和10.46MPa，垂直應力分別為13.50MPa和13.63MPa，最大主應力方向分別為N51°W和N47°W。根據測試結果可定義該區域地應力整體上屬于高地應力值區域。3號煤體強度大部分集中在6～10MPa之間，煤幫淺部強度普遍較低，平均強度為8.29MPa，煤體軟弱破碎。

3 技術研究重點

（1）1301工作面3號煤總體上強度較低，平均強度為8.29MPa，且結合長壁工作面傾向圍巖應力分布特征（圖3），區段煤柱處于采動應力增高區：一是通過煤體注漿，提高煤體自身強度和自穩能力；二是通過補打幫部錨索，提升煤體主動支護強度。

（2）1301工作面進風巷、1301工作面輔助回風巷原支護設計參數為正常巷道支護，錨索布置方式為3-0-3布置方式。經過數值模擬分析，結合現場經驗，依據高預應力強力錨桿支護理論，無法滿足采動影響后的支護強度，必須進行錨索補強支護，提高整體支護系統的強度。

4 巷道維護方案

結合井下礦壓觀測情況以及區段煤柱情況，確定1301工作面進風巷加固維護范圍為3號聯巷至輔切開口525m范圍，1301工作面輔助回風巷加固維護范圍為巷道開口至輔切開口465m。

4.1 1301工作面輔助回風巷

結合相鄰礦井情況，1301輔助回風巷斷面為5.2×3.8m，主要采用錨網索組合支護方式，區段煤柱寬度為45m，進行正常加固維護即可。頂錨索布置方式由原來的3-0-3調整為3-3-3，張拉力不小于300kN；兩幫補打幫錨索，規格為Φ22-1×19-5300mm，每幫2根，排距2m，距巷道底板分別為500mm、2000mm，張拉力不小于150kN。

圖3 長壁工作面傾向圍巖應力分布特征

4.2 1301工作面進風巷

（1）巷道原支護設計

1301進風巷斷面為矩形，寬5.2m，高4.2m，主要采用錨網索組合支護方式，支護方案如圖4所示。

圖4 1301工作面進風巷原支護設計圖

（2）礦壓觀測情況

根據1301進風巷窺視結果，結合現場實地查看可知，巷道主要變形段集中在兩個區域：一是巷道中鉆場附近區域，鉆場與巷道交叉位置兩幫移近，底板底鼓，不同鉆場區域底鼓量不一樣，最大底鼓量約300mm，兩幫頂角有明顯移近；另一礦壓顯現明顯的區域是地質構造影響區域，距離1301進風巷中開口560～660m范圍內巷道變形明顯，頂板破碎，頂板離層明顯，多處墜包，各幫移近量約200mm，底鼓量約500mm。頂板窺視結果顯示，頂板離層主要集中在錨桿錨固范圍內，兩幫煤體破碎，裂隙、節理發育充分，兩幫和頂板完整性非常差，局部頂板出現錨桿破斷現象，1301工作面進風巷其他范圍內煤巖體完整，除局部底板有輕微底鼓，巷道基本無變形。

（3）加固維護方案

① 對巷道頂板進行錨索補強加固，由原設計的3-0-3布置方式調整為3-4-3布置方式。隔排補打4根錨索，間距1.2m，距幫0.8m。

② 對1301工作面進風巷兩幫以及1301工作面運輸巷西幫進行錨索補強支護，每幫3根，規格為Φ22-1×19-5300mm，距底板分別為500mm、2000mm、3000mm，張拉力不小于150kN。

③ 對巷道內的鉆場進行錨索補強支護，回采前在鉆場內打設1個2×2m的井字形木垛。

④ 對1301工作面進風巷兩幫以及1301工作面運輸巷外幫進行注漿加固。先對需要注漿段巷道進行圍巖噴漿封閉，噴漿厚度50～80mm。

漿孔布置：淺部圍巖注漿孔矩形布置，每排每幫2個孔，鉆孔排距4000mm，孔深3000mm。注漿孔間距1800m，底部注漿孔距離底板1200mm。

注漿方式：埋孔口注漿管，孔內下射漿管，射漿管長度2.5m，全長一次注漿。

成孔：兩幫4個注漿孔使用ZQS-65/2.5手持式氣動（防突）鉆機，配Φ42mm鉆桿、直徑Φ44mm鉆頭打孔。

淺部注漿完畢后，再打深部注漿孔進行深部注漿。

深部注漿孔布置：深部圍巖注漿孔矩形布置，每排每幫3個孔，間距1300mm，底部注漿孔距離底板800mm，鉆孔排距4000mm，孔深全部6000mm，與3000mm深的淺孔成五花布置。

注漿材料構成：正常注漿使用425#普通硅酸鹽水泥，配合XPM添加劑制備素水泥漿，大范圍漏漿進行注漿堵漏時，壓注水泥—水玻璃雙液漿。

注漿材料配比：使用XPM添加劑，添加劑用量為水泥重量的8%～10%。使用XPM添加劑，水泥漿的水灰比0.7:1～1:1（根據現場注漿情況小范圍內調整）。使用水泥—水玻璃雙液漿時，水泥漿配比不變。水玻璃濃度48～55Be'（根據現場情況進行調整），模數M=2.8～3.2。水泥漿和水玻璃的體積比 1:0.4～1:0.6。

5 效果及經濟效益

1301首采工作面推進390m，通過綜合礦壓觀測站監測，1301工作面輔助回風巷頂幫基本無變形，局部巷道出現底鼓，平均底鼓量約500mm；1301工作面進風巷頂板基本無下沉變形，幫部小范圍收縮，平均收縮量約150mm，動壓影響區域發現底鼓現象，平均底鼓量約350mm。能夠保證后期使用的要求。

外圈巷道維護工程總費用700萬元，1301回采結束后，預計還需巷道修復費用200萬元。留巷減少了開拓工程量990m，掘進費用約1500萬元，合計可節約資金600萬元。