厚煤層分層充填開采沿空留巷及端頭頂板控制技術

李 春

（山西高河能源有限公司，山西 長治 046000）

充填開采技術[1-2]能夠提高煤炭資源回收率，保護生態環境，是實現煤礦綠色開采的重要途徑之一。在厚煤層分層充填開采過程中，沿空留巷有利于進一步提高煤炭資源回收率，也是一種新型的無煤柱開采技術[3-5]，既有充填開采控制地表變形的優點，又能降低巷道掘進工程量，有利于充填開采技術的推廣實施。

1 工程概況

1.1 地質情況

高河能源E1302 充填面位于村莊保護煤柱內，面長230 m，推進長度430 m；回采3 號煤層，煤厚6.2～7.5 m，平均6.38 m；工作面內煤層傾角3°～15°，平均傾角8°。3 號煤層直接頂為泥巖和砂質泥巖-細粉砂巖，平均厚度分別為2.08 m和7.35m；基本頂為細粒砂巖-粉砂巖，平均厚度12.98 m；直接底為泥巖-粉砂巖，平均厚3.02 m；基本底為砂質泥巖-細粒砂巖，平均厚8.68 m。工作面地面煤層埋藏深度為408.29～437.6 m。探測顯示，E1302 充填面未發現陷落柱和斷層，經抽采后該工作面瓦斯含量為6.171 6 m3/t，無煤與瓦斯突出危險性，煤塵具有爆炸性，屬不易自燃煤層。

1.2 巷道布置

E1302 充填工作面分為2 個分層，采用下行開采，先采頂分層，后采底分層。頂分層開采時采用E1302 工作面原有的4 條回采巷道系統，頂分層開采后兩側順槽沿空留巷為底分層服務。

E1302 頂分層充填工作面開切眼離E1302 第2停采線20 m，沿煤層底板掘進，開切眼處于底分層位置，從回采開始按照5°～6°的坡度逐漸抬升，約30 m 后過渡至頂分層正常層位。工作面兩端頭也按照5°～6°的坡度逐漸抬升，抬升過渡段距離為30 m 左右。E1302 底分層充填面開切眼在E1302頂分層面中部過渡到正常層位后沿煤層底板掘進，其位于頂分層開切眼向外30 m 位置，停采線早停5 m，底分層充填面推進長度395 m。工作面巷道布置圖如圖1。

圖1 工作面巷道布置圖

2 沿空留巷工藝

2.1 待充區隔離

（1）隔離材料

充填開采工作面在充填前需在架后建立密閉待充隔離區，采用專用充填支架配合高強隔離布和彩條布以及草氈等完成待充區隔離密閉。工作面端頭采用專用端頭支架，防止充填過程中充填體側向鼓包。

（2）支架與頂板間隔離

首先降下充填支架上隔離板，在上隔離板上安裝柔性條，將隔離布的一端（不小于500 mm）鋪在上隔離板上，然后在隔離布上面鋪上彩條布和草氈，最后升起上隔離板，用草氈密封好支架與頂板之間的空隙。頂板出現高頂區時，在待充填區打設好臨時支護后，收回支架尾梁，在支架與頂板之間的高頂區使用道木打設隔離墻；然后在隔離墻外側鋪設一層隔離布和彩條布，隔離布外側鋪一層草氈，頂板、支架與隔離墻之間的間隙用草氈封堵。完成后，打出支架尾梁，回撤臨時支護，然后按照上述的隔離方法進行隔離。

（3）支架與底板間隔離

在緊貼支架底座后部靠近下隔離板下方的位置，平行于工作面挖一條寬、深均不小于100 mm的地溝，把草氈、彩條布和隔離布的一端（不小于500 mm）埋入挖好地溝內，草氈在最下面，彩條布在中間，落下下隔離板壓緊隔離布。

（4）隔離布與隔離布間隔離

隔離布與隔離布之間使用刷子將膠結料涂抹到隔離布上進行粘結，隔離布與隔離布之間搭接不小于1 m。隔離過程中，若相鄰支架之間隔離板間隙大于200 mm，使用剎桿封堵后再進行隔離，保證相鄰兩支架之間隔離嚴密。

（5）端頭側向隔離

端頭尾架在隔離時，先打出側向千斤頂支撐好端頭尾架，隔離布使用專用的隔離布，隔離布中間留有通風口，保證在隔離過程中隔離板門始終保持打開狀態。在通過橫貫或超寬巷道時，由于端頭尾架側支護千斤頂沒有支撐點，采用搭設單體柱戧柱的方法支撐端頭尾架進行隔離。隔離區寬度大于端頭尾架隔離寬度時，采用鋼性模板配合隔離，根據實際情況選擇不同寬度的鋼性模板，將鋼性模板放置在端頭尾架與中間架的空檔區，兩端伸出不得小于500 mm。在鋼性模板外側垂直頂板打設密集單體柱，在鋼性模板與中間架接觸部位打設戧柱，支撐鋼性模板。

2.2 端頭隔離區充填

完成工作面待充區隔離后，作充填準備，按照充填作業流程從機頭至機尾逐步完成架后充填作業。待充填體凝固后，進行工作面移架工作，端頭架拉出后，充填體可支撐上方頂板，完成沿空留巷工作。

2.3 沿空留巷頂板補強支護

工作面沿空留巷順槽超前支護長度維持在30 m，采用“一梁二柱”、單體柱+π 型梁棚支護方式，排距800 mm，膠帶順槽π 型梁長4.2 m，進風順槽π 型梁長4.6 m。沿空留巷內在滯后工作面200 m范圍內，采用一梁（膠帶順槽沿空留巷使用4.2 mπ型梁，進風順槽沿空留巷使用4.6 mπ 型梁）三柱，即在超前支護的中部增加一根單體柱，單體柱π 型梁棚棚距800 mm。工作面沿空留巷及頂板補強支護示意圖如圖2。

圖2 工作面沿空留巷及頂板補強支護示意圖

3 端頭圍巖控制

E1302頂分層工作面的開切眼沿煤層底板掘進，在回采初期，需按5°～6°的坡度逐漸抬升至設計層位，全工作面頂板形成三角煤區域；并且在正常回采期間，工作面兩端30 m 范圍將一直存在三角煤區域，如圖3。雖然充填開采工作面礦壓顯現較弱，但由于3 號煤節理裂隙發育，且充填采煤工作面比普通垮落法開采工作面控頂寬，頂煤反復支撐作用次數多，三角煤區域容易破碎冒頂，因此，需要加強對工作面初采和兩端頭三角煤區頂板管理。采取措施如下：

（1）加強頂板支護和煤壁維護。割煤后及時伸出支架前伸縮梁，保證頂板支護及時；并及時打開護幫板，支撐工作面煤壁，防止煤壁片幫。

（2）頂板鋪網，防止破碎頂煤冒落。自開切眼起35 m 范圍內全工作面鋪雙層金屬網；35 m 后，工作面中部鋪一層金屬網，兩端過渡區仍然鋪雙層網。

（3）初采期間采取小步距充填。E1302 充填采煤工作面初采期間充填步距為兩刀，1.6 m。

（4）加強兩端三角區的頂板管理。在兩端頂板鋪雙層金屬網的基礎之上，在端頭尾4 組支架范圍內平行工作面交替鋪設長3.2 m 的板梁，每刀一趟，每趟8 根，要求每根板梁兩端橫伸出支架兩側不得小于0.5 m。隨著工作面推進，在大板處于支架尾梁位置時進行回撤。

（5）加強現場頂板管理。安排專人對頂板下沉量、支護質量等進行觀測，每班不少于兩次，并根據實測結果及時整改動態管理機制。

（6）制定局部頂煤冒落處置措施。

圖3 頂分層充填工作面三角形頂煤區域分布示意圖

4 應用效果

E1302 頂分層充填工作面自2020 年4 月初開始試生產，至2020 年6 月底已累計充填43 個循環，累計采煤108 刀，回采86.4 m，回采產量9.7 萬t，沿空留巷長94 m。通過對沿空留巷段充填體壓力進行觀測可知，隨著工作面推進，充填體逐步增載，在滯后工作面約50 m 時，充填體載荷趨于平穩。通過對沿空留巷頂板下沉量觀測可知，在滯后工作面35 m 以內，巷道頂板下沉速度較快，達到最大下沉量的75%，之后頂板下沉速度逐漸減小，在滯后工作面60 m 以外，頂板下沉量逐步趨于平穩，最大下沉量達到45 mm。通過三角頂煤區的多項技術措施，有效控制了工作面初采期間和兩端頭頂板穩定，保證了工作面安全回采。