基于工作面過空巷布置方式的新型無煤柱開采技術在高河礦的應用研究

李安紅 康顯強 方樹林

(1.山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西省長治市，046100；2.山西高河能源有限公司，山西省長治市，046100；3.天地科技股份有限公司，北京市朝陽區，100013)

無煤柱開采是提高煤炭資源回收率[1]、減少巷道掘進量、改善巷道維護[2]、治理瓦斯超限[3]的一項先進煤炭開采工藝[4]，有利于礦井安全生產和改善礦井技術經濟效果。在我國山東[5]、河南[6]、河北[7]、江蘇[8]、內蒙古[9]等礦區,在淺埋[10]、深埋[6]、中厚[6]及厚煤層[11-12]、大采高[9]、綜放[13]等各種條件下，積極發展無煤柱開采技術，取得了諸多成果。推行無煤柱開采，不僅對生產礦井進行技術改造、緩解采掘緊張關系和延長礦井壽命具有現實意義[14-16]，而且也是煤炭企業改善安全生產條件和技術經濟指標[17]、實現增產、增效的重要途徑。

筆者以山西潞安集團高河礦為研究對象，通過現場調研、理論分析、工程實踐等3方面論證了無煤柱護巷的可行性和優越性。

1 工程概況

高河礦在綜采工作面設計中采用留煤柱護巷布置方式，為提升煤炭資源回收率、延長礦井服務年限，在后續盤區設計中計劃采用無煤柱護巷方式。

W1318和W1319工作面為高河礦西一盤區的相鄰工作面，開采3號煤層，平均煤厚6.7 m，平均傾角5°，W1318工作面采用“兩進一回”的“Y型+高抽巷”通風方式，即布置有膠帶巷、進風巷進風，回風巷(下個工作面的膠帶巷)回風，高抽巷布置在內錯進風巷40 m且在煤層頂板上方40 m的巖層內，用于抽采裂隙帶瓦斯。W1318工作面在回采過程中，機頭(膠帶巷側)采用垮落法管理頂板，機尾(進風巷側)采用柔模墻沿空留巷。

現W1318工作面已回采完畢，其進風巷也已沿空留設完畢。擬將復用W1318沿空留巷作為開采W1319工作面的一條巷道，通過W1319工作面的工程實踐論證留巷的二次復用可靠性，從而驗證無煤柱開采的可行性，為高河礦后續采用無煤柱開采技術提供理論指導和實踐經驗。為此，提出了W1309工作面的巷道布置方案。

2 W1319工作面巷道布置方案設計

根據高河礦現有水文地質條件，通過對W1318工作面的巷道布置方式進行調研和分析，結合高河礦現有運輸及通風系統，對W1319工作面提出以下3種巷道布置方案。

2.1 留大煤柱護巷

W1319工作面留大煤柱護巷布置如圖1所示。

圖1 W1319工作面留大煤柱護巷布置

W1319工作面采用留大煤柱護巷布置方式。其中，將W1318工作面回風巷(“Y型”通風回風通道)和南翼帶式輸送機大巷相連作為W1319工作面膠帶巷；根據以往留煤柱護巷現場經驗，在W1318沿空留巷往南35 m沿底板新掘一條巷道作為W1319工作面進風巷；將W1318沿空留巷復用為回風巷。由于留設35 m煤柱，工作面長度為294 m。

2.1.1 通風系統

留煤柱護巷布置方式采用“兩進一回”的“Y型”通風方式，膠帶巷、進風巷進風，W1318工作面沿空留巷作為W1319工作面回風巷，根據工作面瓦斯含量計算，工作面配風量為3800 m3/min。

2.1.2 運輸系統

膠帶巷安設帶式輸送機運煤，進風巷作為輔助運輸和設備安裝主要通道，確保瓦斯抽采管路安設，材料、設備安裝及更換等。

2.2 傳統無煤柱護巷

W1319工作面無煤柱護巷布置如圖2所示。

圖2 W1319工作面傳統無煤柱護巷布置

W1319工作面采用無煤柱護巷方式。其中，將W1318工作面回風巷和南翼帶式輸送機大巷相連作為W1319工作面膠帶巷；將W1318工作面沿空留巷復用為W1319工作面回風巷。由于該巷道布置方式不需要留設煤柱，工作面長度為334 m，沿空留巷作為回風巷和運輸巷道使用。

2.2.1 通風系統

采用“一進一回”的“U型”通風方式，膠帶巷進風，上一個工作面沿空留巷作為本工作面回風巷回風，根據工作面瓦斯含量計算，工作面配風量為3800 m3/min。

2.2.2 運輸系統

膠帶巷安設帶式輸送機運煤，上一個工作面沿空留巷作為本工作面輔助運輸和設備安裝主要通道，保證后期瓦斯抽采管路、材料和主要設備運輸及安裝。

2.3 工作面過空巷新型無煤柱護巷

W1319工作面W型巷道布置如圖3所示。

圖3 W1319工作面過空巷布置圖

W1319工作面采用W型巷道布置方式。其中，將W1318工作面回風巷(“Y型”通風回風通道)和南翼帶式輸送機大巷相連作為W1319工作面膠帶巷；將W1318工作面沿空留巷復用為W1319工作面進風巷；在W1318沿空留巷往南35m沿底板掘一條巷道作為W1319工作面回風巷。

該巷道布置方式沿著工作面中間掘一條巷道作為回風巷道，兼做輔助運輸巷道使用，工作面在回采過程需要過空巷，無需留煤柱，但需要多掘進一條巷道。工作面長度也為334 m。

2.3.1 通風系統

采用“兩進一回”的“W型”通風方式，膠帶巷、沿空留巷進風，回風巷回風。根據工作面瓦斯含量計算，工作面配風量為3800 m3/min，其中膠帶巷2600 m3/min，沿空留巷1200 m3/min，現有巷道斷面能夠滿足要求。

2.3.2 運輸系統

膠帶巷運煤，回風巷作為材料、主要設備安裝更換主要通道，能夠滿足安全生產作業需要。

3 W1319工作面3種巷道布置方案對比分析

3.1 頂板上覆巖層結構演化規律分析

留大煤柱護巷方案中，本工作面回采過后，在煤柱和柔模墻支撐下，沿空留巷上覆巖層結構不會被破壞，如圖4所示。同時，根據以往留煤柱護巷現場經驗，巷道受煤柱和煤體保護，在一定強度的錨桿網聯合支護情況下圍巖變形處于可控范圍之內，巷道整體變形較小，安全風險低。

無煤柱護巷方案中，沿空巷道受二次采動影響，本工作面回過后采空區側上覆巖層穩定結構遭到完全破壞，如圖5所示，造成沿空留巷產生較大變形，安全風險較高，不宜直接投入工程實踐。

圖4 留煤柱護巷上覆巖層結構示意圖

圖5 傳統無煤柱護巷上覆巖層結構示意圖

W型布置方案中，預先在工作面中間新掘一條巷道作為回風及輔助運輸之用，工作面回采時直接推過、不保留，這種情況下沿空巷道在本工作面回采過后上覆巖層結構雖然也遭到破壞，如圖6所示，但是破壞引起的圍巖變形由工作面中間巷道和沿空巷道共同承受，受到一定變形的沿空巷道在采取錨桿(索)聯合支護及超前棚加強支護后，可以作為進風巷使用，安全風險居中。

圖6 工作面過空巷上覆巖層結構示意圖

因此，從安全風險角度分析，留大煤柱安全風險最低，“W型”布置安全風險居中，無煤柱護巷圍巖變形較大，安全風險高。

3.2 巷道圍巖控制效果分析

應用FLAC3D數值模擬軟件建立模型，對上述3種方案下的巷道圍巖變形情況進行模擬分析。模型尺寸為200 m×270 m×71 m(長×寬×高)，模型頂部為自由邊界，施加10.25 MPa垂直應力；兩側施加水平約束，底部施加垂直約束。采用摩爾-庫倫準則描述巖石的破壞，工作面模型和各巖層巖石力學參數分別如圖7和表1所示。

圖7 模型三維示意圖

表1 巖石力學參數表

巷道變形模擬結果如圖8所示。根據模擬結果可以看出，留大煤柱護巷、工作面過空巷布置和傳統無煤柱布置巷道變形量依次增加。其中，大煤柱護巷巷道頂底板移近量為282 mm，兩幫移近量為298 mm；工作面過空巷布置巷道頂底板移近量為342 mm，兩幫移近量為368 mm；傳統無煤柱護巷巷道頂底板移近量為355 mm，兩幫移近量為375 mm。因此，從巷道圍巖控制效果的角度來看，留設大煤柱巷道最容易維護，工作面過空巷布置次之，傳統無煤柱巷道最難維護。

圖8 巷道變形模擬結果

綜上，為確保方案安全經濟可靠，確定在工程實踐中采用工作面過空巷巷道布置方案，通過監測沿空留巷變形情況，來進一步研究無煤柱護巷的可行性。

4 工程實踐

在高河能源W1319工作面按照工作面過空巷方案布置巷道，回采過程中重點監測巷道表面位移，通過分析巷道圍巖變形為高河煤礦無煤柱開采技術提供實踐支撐。

4.1 巷道變形情況分析

在沿空留巷和回風巷內每間隔5 m布置表面位移測站，每天對巷道頂底板及兩幫的移近量進行觀測，選取回采進尺45～315 m區間的觀測數據進行統計分析，結果分別如圖9、圖10所示。可以看出，沿空留巷在推進至110 m處頂底板移近量最大為447 mm，在推進至115 m處兩幫移近量最大為1145 mm，巷道第一次出現錨桿和錨索繃斷、柔模包傾斜和破包、底鼓等現象出現在回采進尺120～130 m處。

分析認為，工作面過空巷巷道布置方案中沿空留巷受二次采動影響和工作面頂板來壓影響，頂底板最大移近量447 mm，兩幫最大移近量1145 mm，圍巖變形量處于可控范圍之內，沿空留巷整體留巷質量較好，可以在無煤柱護巷中復用。

圖9 W1319進風巷(沿空留巷)表面位移

圖10 W1319回風巷表面位移

4.2 圍巖變形控制措施

根據礦壓觀測和分析，針對沿空留巷受二次采動影響和周期來壓影響發生變形情況提出如下控制措施。

(1)調整超前支護。根據巷道圍巖變形情況對超前支護進行調整。一是縮小沿空留巷超前棚棚距，由0.8 m改為0.6 m；二是加長超前棚距離，由60 m改為100 m；三是在沿空留巷超前棚60 m范圍內，由一梁三柱棚改為架設一梁四柱棚支護頂板，加強頂板支護，確保頂板支護有效。

(2)拉底。受二次采動和工作面周期來壓影響，沿空留巷底板均勻不同程度的底鼓，最大底鼓量150 mm，對于二次復用沿空留巷，影響運輸的區段可適當進行拉底。

(3)錨桿錨索防護措施。根據礦壓觀測情況,在周期來壓過程中,錨桿錨索會發生崩斷情況,在沿空留巷和回風巷頂板采用有效措施，防止錨桿錨索繃斷射出傷人。

(4)補網。在周期來壓過程中,巷道發生破網現象。在沿空留巷和回風巷頂板、煤墻和柔模墻破網處提前補網，在頂板破碎、煤墻墜包、柔模墻變形嚴重的區域加補一層金屬網，確保在周期來壓期間無漏頂和片幫現象。

5 結論

(1)高河礦采用工作面過空巷巷道布置方案，沿空留巷圍巖變形整體處于可控范圍之內，證明此種形式的新型無煤柱開采在技術上具有可行性。

(2)基于工作面過空巷巷道布置方式的煤炭開采技術無需留設煤柱，提升煤炭資源回收率的同時顯著降低原煤生產成本，具有良好的經濟效益。

(3)在工作面過空巷巷道布置方案中，針對沿空留巷變形情況，可以采用調整超前支護、拉底、捆綁錨索、補網等措施控制巷道圍巖變形，確保安全高效生產。