曹莊煤礦12104工作面沿空留巷技術研究與應用

何 超

（國投煤炭有限公司，北京 100120）

1 工程概況

山東省滕州市曹莊煤炭有限責任公司（以下簡稱曹莊煤礦）位于滕州市西崗鎮，隸屬于滕州市管轄，礦井核定生產能力45萬t/a，主要開采3下、12下、16#、17#煤（截止目前僅開采了3下煤），采用立井開拓，共劃分二個生產水平，第一水平標高-65m，主采3下煤層；第二水平標高-180m，主要開采12下、16#、17#煤層，正在生產的采煤工作面為-65m水平3下煤層的328工作面，接續工作面為12下煤層的12104工作面，12下煤層共布置2個采區，分別位于軌道暗斜井的南、北兩側；南側為一采區（121采區），北側為二采區，12下煤層一采區（121采區）地面相對位于工業廣場東部，目前，121采區開拓準備工作已基本就緒，各生產系統已形成，現已形成12104、12105、12106、12107四個回采工作面，121采區12下煤層均厚0.84m，采用綜合機械化采煤工藝，采高1.3m，工作面材料巷和運輸巷均沿12下煤層底板破頂施工，這些工作面為本次沿空留巷設計研究的對象。

2 121采區沿空巷原有支護設計

曹莊煤業121采區的12104運輸巷、12105軌道巷和12106運輸巷進行沿空留巷，這幾條巷道斷面和支護形式相同，矩形斷面支護后凈斷面寬×高=2.6×1.9m，支護方式為錨網索梁聯合支護，頂板和兩幫錨桿采用直徑18mm，長度1800mm的左旋螺紋鋼，托盤長×寬×厚=150×150×6mm，頂板錨桿間排距均為800mm，兩幫間排距為1000mm×800mm；頂板錨索采用Φ15.24×L6000mm的1×7預應力鋼絞線，采用圓托盤直徑為250mm，厚度為8mm，間排距為1200mm×1600mm。錨索梁采用12＃槽鋼加工制作，長度2200mm。金屬網采用Φ4mm圓鋼焊制的方格網（長×寬=1.8m×0.9m），網格0.1m×0.1m，相鄰的金屬網間采用預留接頭連接，連接長度不少于60mm，并用錨桿托盤背牢。

3 沿空留巷支護設計

12下煤層的直接頂板主要為黑色泥巖，有時為砂泥巖，厚6m。根據臨近泉上礦資料，12下煤層的直接頂板裂隙發育、性脆易碎，開采過程中隨采隨冒，無空頂現象，頂板類型為Ⅱ類。直接底板為泥巖，厚度0.1m～0.6m。根據泉上煤礦12下煤層沿空留巷開采經驗，結合曹莊煤礦121采區工作面順槽原有支護實際，設計確定12104工作面運輸巷在原有“錨桿+錨索+錨網+錨索梁支護”的基礎上，采用“超前加強支護+鋪網護幫+滯后加強支護”沿空留巷工藝。

3.1 超前加強支護

12104運輸巷超前支護采用11#工字鋼鋼棚配合單體支柱形式進行加強支護，鋼棚腿的下端焊有一鐵板，以防陷入底板，棚腿與底板的夾角為80°，并插在堅實的底板中，棚與棚之間采用背板和撐木連接，每棚不少于3棵支柱，一排靠上幫，一排靠上幫運輸巷刮板輸送機溜槽沿，一排靠下幫刮板輸送機溜槽沿，并留有不小于800mm寬的人行道，棚距800mm；超前支護距離不少于20m。

3.2 留巷側端頭及鋪網支護

工作面上、下端頭使用端頭支架支護，工作面上、下端頭兩巷處采用單體液壓支柱配合11#工字鋼鋼梁進行維護，12104工作面回采超前20m支護空間時，先利用單體液壓支柱交替更替巷道頂梁和靠近采空區一側的棚腿，鋪設金屬網。巷道頂棚用采用長度2400mm的長梁，靠近采空區一側的棚腿用單體液壓支柱代替。為了防止采空區冒落的矸石竄入所留巷道內，采取必要的擋矸措施，支護方法是采用懸掛金屬網并支設金屬支柱相結合的方式擋矸。鋪設金屬網后，用單體液壓支柱靠緊采空區巷道一幫，越靠緊越好，由于金屬網與支柱之間有一定的間隙，故用方木、木楔擠緊，如圖2所示。金屬網為Φ4mm圓鋼焊制的方格網（長×寬=1.8m×0.9m），網格0.1m×0.1m，金屬支柱為單體液壓支柱，待巷道穩定后更換成11#工字鋼棚。

圖2 擋矸網布置示意圖

3.3 滯后加強支護

根據相鄰礦井12下煤層沿空留巷經驗，需要滯后60m范圍內采用兩棵單體支柱進行加強支護。留巷期間對巷道進行礦壓觀測，密切關注巷道圍巖運動狀態。當巷道處于穩定狀態后，即可對單體支護進行回撤。12104運輸巷留巷支護后巷道斷面如圖3所示。

圖3 12104運輸巷留巷后支護斷面

4 沿空留巷可行性預測

根據德國埃森研究院對260個沿空留巷采煤工作面的統計，得出反映頂底板最終收斂量影響因素的回歸公式[1～2]：

式中：KEV為巷道頂底板相對移近率，即變形后巷道高度與初始高度之比，單位：%；SV為巷旁支護強度指數，若為剛性支護SV=1，若采用木垛支護SV=2，若無巷旁支護SV=3；GL為底板堅固性指數，砂巖底板GL=1；砂頁巖底板GL=2；泥頁巖底板GL=3；植物根化石底板GL=4；煤層底板GL=5，煤；H為巷道平均埋深，單位：m；M為工作面采高，單位：m；

巷道底鼓率SH計算公式為[3～4]：

曹莊煤炭121采區平均埋深為220m，采高1.3m，12104運輸巷巷旁支護指數為3，底板為泥巖，巖性指數為 3，將以上參數帶入式（1）～（2）得，12104運輸巷頂底板最終收斂量約為16.7～22.7%，底板底鼓率為5.4%，巷道原高度為2.0m，則預計底板最大底鼓量為108mm，頂板最大下沉量為407mm，圍巖變形量較小，適當修復后，可以滿足二次使用要求，在12104運輸巷采用架棚和單體液壓支護配合實現沿空留巷具有可行性。

圖5 巷道圍巖表面位移觀測結果圖

5 應用效果監測

為檢驗曹莊煤礦12104運輸巷采用“超前加強支護+鋪網護幫+滯后加強支護”沿空留巷工藝的效果，12104工作面回采期間，在12104運輸巷采用十字布點法對巷道表面位移進行監測，整理得到圖5所示的結果。圖5（a）所示為12104運輸巷留巷期間頂底板位移量的變化規律，留巷支護完成后，隨著工作面繼續推進，巷道表面位移速率逐漸減小，最終趨近于零，頂板最大下沉量為197mm，底板最大底鼓量為28mm，頂底板最大相對移近量為225mm；圖5（b）為12104運輸巷留巷期間兩幫位移量的變化規律，兩幫的變形主要集中在滯后工作面200m范圍內期間，變形速率逐漸減小并趨近于零，實體煤幫側表面最大位移量為97mm，采空區側表面最大位移量為16mm，兩幫最大相對移近量為113mm；綜上可知，12104運輸巷留巷期間圍巖位移量較小，經過簡單修復后可以滿足使用。

6 結論和建議

為解決山東省滕州市曹莊煤礦礦井采掘接替緊張的難題，提高工作面采出率、巷道利用率，設計在該礦的121進行沿空留巷技術應用實驗，依據其詳細的地質條件進行理論分析、數值計算，設計采用“超前加強支護+鋪網護幫+滯后加強支護”沿空留巷工藝，計算預測沿空留巷期間頂板移近量為0～515mm，底鼓量為0～108mm，能夠滿足工作面安全生產的斷面需求，現場應用及監測結果表明，12104運輸巷留巷支護完成后，兩幫移近量最大為113mm，底板最大移近量為225mm，斷面收縮率約為16%，經過修復后可以滿足使用，山東省滕州曹莊煤炭有限責任公司開展12下煤層采用巷內錨桿+錨索+錨網+托梁與架棚和單體液壓支護配合實現沿空留巷是可行的。