蘭花寶欣煤礦3103工作面沿空留巷技術研究及應用

楊 浩

(山西古縣蘭花寶欣煤業有限公司，山西 臨汾 042405)

1 工程概況

山西蘭花科創寶欣煤礦3103工作面位于井田北翼，工作面傾斜長度150 m，走向長度710 m，工作面布置平面圖如圖1所示，工作面開采3號煤層，煤層厚度為1.5～1.9 m，平均厚度為1.77 m，煤層結構簡單，內部不含夾矸，工作面區域直接頂巖層為泥巖，均厚3.29 m，基本頂巖層為中細砂巖，均厚3.12 m，底板巖層為砂質泥巖和粉砂巖。為提升礦井生產效果，工作面采用沿空留巷技術，3103軌道運輸巷為留巷巷道，本工作面回采后為下區段3105工作面提供運輸服務，為保障沿空留巷技術的順利實施，特進行沿空留巷技術方案設計。

圖1 3103工作面布置平面(m)

2 沿空留巷技術

由于3103工作面開采煤層較薄，工作面頂底板巖層特征也相對較好，為充分提高工作面的回采率，特采用無巷旁充填體沿空留巷技術[1-3]，在進行巷道圍巖控制時，在巷道掘進期間進行巷道基本支護參數的設計，在工作面回采前,進一步進行支護形式的補強支護，在工作面回采期間,進一步對巷道圍巖進行加固，具體巷道圍巖支護方案中的各項參數如下：

1) 巷道掘進期間支護方案：3103軌道運輸巷道為矩形斷面，斷面尺寸為寬×高=4 500 mm×2 500 mm，巷道采用錨網索支護，頂板錨桿采用左旋無縱筋高強錨桿，規格為MSGLW-400/20×2000，頂板錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，預緊力矩不小于300 N·m，頂板錨索采用高強度低松弛預應力鋼絞線，規格為SKP17.8-7/1860，長度4 250 mm，錨索采用“2-2-2”布置，間排距為2 000 mm×1 000 mm，預緊力為120 kN；巷道兩幫錨桿采用全螺紋左旋等強錨桿，規格為MSGLD-335/18×2 000，間排距為700 mm×1 000 mm，預緊力矩為250 N·m，巷道全斷面采用10號鐵絲編制的金屬網進行護表，巷道錨桿索頂板及兩幫錨桿索之間采用鋼筋梯子梁進行連接。

具體3103軌道運輸巷道掘進期間巷道支護形式如圖2所示。

2) 工作面回采前加固方案：為保障工作面回采期間頂板的穩定，在工作面回采前，在巷道頂板中部補設一個單體錨索，錨索規格為D17.8 mm×4 250 mm，錨索托盤采用方形托盤，參數為300 mm×300 mm×15 mm，補強錨索預緊力為120 kN；在頂板兩側距離巷幫400～600 mm的位置超前布置縱向錨索梁，梁長2.6 m，孔距為2.1 m，配用14號槽鋼，具體運輸軌道巷道頂板錨索加固布置形式如圖3(a)所示；工作面非回采幫在工作面回采前同樣進行補強加固，在非回采幫增設補強錨索，錨索采用1×7股高強度低松弛鋼絞線，規格為D17.8 mm×4 250 mm，預緊力為120 kN；布置兩道走向錨索梁，在每道錨索梁下壓設三根鋼帶，具體非回采幫的補強加固支護形式如圖3(b)所示。

圖2 巷道支護參數斷面(mm)

圖3 工作面回采前巷道加強支護形式(mm)

3) 工作面回采期間加固方案：工作面回采期間，巷道回采幫一側隨著工作面的回采進行，上覆巖層會逐漸垮落，為在回采幫一側對頂板形成有效支撐，緊隨工作面順巷布置3排單體液壓支柱，單體支柱超前工作面30 m進行施工，其中靠近采空區的一排采用液壓支柱+工字鋼的組和結構，支護結構頂部采用十字鉸接頂梁進行連接，支柱底部通過液壓支柱穿鞋將其連接成一個整體[4-6]，液壓支柱的排距為600 mm，靠近采空區一排液壓支柱與巷道中心之間的距離為1 650 mm，支護形式為一梁一柱；第二排、第三排單體液壓支柱與第一排液壓支柱間的距離為600 mm、2 650 mm，二三排單體液壓支柱通過一字鉸接頂梁進行連接，梁長1 200 mm，二排和三排單體液壓支柱排距為600 mm，本次臨時支護采用的單體液壓支柱型號為DW25-300/110，單體支柱柱徑為110 mm，在單體柱支設時，確保其初撐力大于90 kN，保障支柱的活柱可縮量大于500 mm，具體工作面回采期間的加固支護布置形式如圖4所示。

圖4 工作面回采期間加固支護布置示意

另外在工作面回采期間，為防止采空區的矸石涌入巷道內部，對支護的單體液壓支柱造成擠壓沖擊，現采用工字鋼+金屬菱形網進行護幫支護，金屬菱形網的網孔為60 mm×60 mm，尺寸為長×寬=4.0 m×1.0 m，同時為防止鉸接頂梁和單體支柱鐵鞋的完整，設計工字鋼的支護高度比巷道高度高出300 mm，并在底部設置30°的倒角斜面，設置其與底板之間的間距大于300 mm。

在進行采空側鋪網時，首先在工作面超前支護區域內進行回采幫的退錨作業，隨后將金屬網懸掛在巷道頂部，在工作面回采推過后將金屬網片放下，同時再加設一層金屬網片，新鋪設的金屬網片采用12號鐵絲與頂部金屬網片進行連接，頂部網片會擋矸網片搭接500 mm，采用雙絲雙扣，扣距為100 mm；另外在擋矸網鋪設完畢后，在巷道內側掛設一道土工布，在土工布上噴涂5 cm厚的化學柔性材料，以有效阻止向采空區內部漏風[7-8]。

3 留巷效果分析

在3103軌道運輸巷道掘進期間、工作面回采前及工作面回采期間，分別進行巷道圍巖變形量的觀測作業，巷道圍巖變形量觀測位置為3103軌道運輸巷道40～740 m，在進行圍巖變形觀測時，每間隔10 m布置1組測點，在每組測點分別進行巷道寬度和高度的測量作業，根據觀測結果能夠得出巷道在不同時間下的圍巖變形情況。

根據巷道掘進期間的地質條件和現場觀測結果將巷道圍巖劃分為三類，分別為：

Ⅰ類圍巖：正常地段，巷道頂板完整，且無明顯的下沉、網兜現象；且錨桿索無拉穿現象；

Ⅱ類圍巖：巷道淋水和輕微破碎地段，圍巖表現為較為破碎，且圍巖表面出現凸凹不平現象，巷道存在網兜和冒頂現象；

Ⅲ類圍巖：地質構造和破碎圍巖地段；該區域圍巖主要受到地質環境變化的影響，致使巷道圍巖變形后表現為臺階形狀，且存在著錨索被拉斷脫落的現象。

3.1 巷道掘進期間

根據圍巖變形監測結果，能夠繪制出巷道現有斷面尺寸曲線如圖5所示。

圖5 巷道掘進期間斷面尺寸曲線

結合巷道的地質條件及變形特征分析圖5可知，巷道Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類圍巖占到巷道總長的比例分別為53.6%、31.0%和15.4%。巷道掘進期間，在淋水地段和地質構造區域存在著冒頂現象，巷道斷面基本均大于設計斷面，圍巖正常段頂底板最大移近量為100 mm，同樣在淋水和地質構造區域巷道兩幫也存在著超挖現象，圍巖正常段兩幫最大移近量為250 mm，據此可知，巷道圍巖在該支護方案下掘進期間圍巖變形量相對合理，可保障圍巖的穩定。

3.2 工作面回采期間

在工作面回采期間，持續對巷道圍巖變形情況進行監測分析，持續監測至工作面回采推進400 m，根據監測數據得出頂底板巖層在工作面回采期間處于穩定狀態，頂底板最大移近量為260 mm，滿足回采巷道的使用要求，故現具體分析工作面回采期間兩幫變形情況，基于監測結果可繪制出巷道寬度及兩幫收斂曲線圖，如圖6所示。

圖6 巷道寬度及收斂量曲線

分析圖6可知，工作面回采期間，在巷道不同里程處，巷道斷面的收斂值不同。在巷道300～350 m、400～460 m、600～630 m里程處，由于圍巖受到地質構造的作用，兩幫收斂量較大，最大收斂量達到1 200 mm，在巷道其他里程處，巷道圍巖未受到地質構造作用，圍巖屬于Ⅰ類和Ⅱ類圍巖，兩幫最大移近量為550 mm，圍巖變形量滿足回采使用要求。

4 結 語

根據3103工作面的地質及開采條件，確定工作面采用無巷旁充填體沿空留巷技術，基于頂底板巖層條件，分別設計巷道掘進期間、工作面回采前和工作面回采期間的支護方案，根據巷道圍巖變形監測結果可知，巷道Ⅰ類和Ⅱ類圍巖地段圍巖變形量滿足巷道使用要求，Ⅲ類圍巖地段圍巖變形量相對較大，需進一步補強支護。