賈家溝煤礦6107工作面沿空留巷技術應用

霍和平,任建偉,趙 磊

（山西呂梁離石賈家溝煤業有限公司 山西呂梁033000）

0 引言

無煤柱開采技術憑借高煤炭資源回收率和低巷道掘進率等優點，近年來在我國得以廣泛應用[1]。但是，無煤柱開采技術雖能有效緩解礦井采掘接替緊張的難題，也存在諸多技術難題，例如施工效率低和設備成本高等[2,3]。對此，諸多學者、專家和礦山科技工作者進行了大量的研究，取得了許多突破性的研究成果，極大地推動了無煤柱開采技術的發展和應用。袁存發基于對8201無煤柱工作面所存在技術難題的分析，提出了頂板切縫卸壓，同時采用“柔模澆筑+錨索吊棚+桁架錨索”聯合支護技術，有效控制了沿空巷道圍巖變形[4]。宋時輪通過對1218無煤柱沿空巷道原支護存在的問題進行分析，對支護參數進行了優化設計[5]。何滿潮針對無煤柱工作面沿空留巷存在的技術難題，提出進行切頂卸壓，并采用“恒阻大變形錨索+臨時支護”聯合加強支護，顯著提高了沿空巷道頂板穩定性[6]。本文基于上述研究成果，以賈家溝煤礦6107無煤柱綜采工作面沿空留巷為背景，對無煤柱沿空留巷關鍵技術在該工作面的應用進行研究，為類似工程條件礦井采用無煤柱沿空留巷技術提供借鑒和參考。

1 工程概況

賈家溝煤礦6#煤層為主采煤層，煤層厚度3.04 m～4.26 m，平均厚度3.65 m；煤層傾角3°～5°，平均傾角4°；煤層結構簡單，賦存穩定，為全區可采煤層。煤層直接頂為砂質泥巖，平均厚度2.25 m；基本頂為細砂巖，平均厚度7.36 m；直接底為砂質泥巖，平均厚度2.04 m；基本底為細砂巖和砂質泥巖互層，平均厚度12.17 m。6107運輸順槽位于六采區，6107運輸順槽沿6#煤底板掘進，巷道北側為6107綜采工作面（正在回采），南側為6109綜采工作面（計劃開采），西側為采區邊界煤柱，東側依次為六采區回風大巷、六采區軌道大巷和六采區膠帶大巷，6107綜采工作面平面布置情況如圖1所示。

圖1 6107綜采工作面平面布置圖

為了提高煤炭資源回采率，緩解工作面采掘接替緊張的問題，礦方決定在6107綜采工作面回采至距6109綜采工作面切眼后5 m處，開始對6107運輸順槽進行沿空留巷作業，6107運輸順槽沿空留巷段設計長度為800 m，巷道設計斷面為3 900 mm×2 300 mm（寬×高）的矩形斷面。

2 沿空留巷圍巖控制技術

2.1 無煤柱沿空留巷存在的技術難題

6107工作面回采所產生的回采應力對工作面及超前頂板產生影響的同時沿橫向傳遞，極易造成工作面順槽發生較大變形而失穩破壞[1-3]。傳統綜采工作面頂板隨工作面推進而直接垮落，充填采空區，而無煤柱綜采工作面沿空留巷需在工作面回采的同時將順槽保留，以便于在下一個工作面回采時復用，此時受工作面頂板應力傳遞的影響，沿空巷道采空區側頂板極易發生剪切破斷而引發巷道大面積冒頂事故[4]。此外，架設工字鋼棚、單體支柱和鋪設金屬網等傳統擋矸措施極易發生變形和斷裂現象，且不能有效隔絕采空區有毒有害氣體侵入沿空巷道[5,6]。因此，如何有效維護沿空巷道圍巖穩定和阻斷采空區有毒有害氣體的侵入是決定無煤柱沿空留巷能否成功的關鍵。

2.2 切頂卸壓

切頂卸壓技術是指利用聚能爆破技術將采空區頂板按照設定的角度和深度進行預裂爆破而實現張拉斷裂，進而達到減小沿空巷道采空區頂板懸臂長度和降低沿空巷道頂板應力集中程度的目的。根據該礦6103綜采工作面切頂卸壓施工經驗，超前6107工作面60 m施工預裂切縫鉆孔，切縫卸壓鉆孔布置情況如圖2所示。切縫鉆孔直徑為50 mm，孔深8 000 mm，鉆孔與巷道頂板呈80°夾角，鉆孔間距為800 mm，采用“3-2-0-1”的裝藥結構，超前工作面10 m進行順序起爆對巷道采空區側頂板進行預裂切縫卸壓。

圖2 6107運輸順槽預裂切縫卸壓鉆孔剖面示意圖

2.3 采空區巷幫擋矸支護及密閉施工

（1）U型鋼支架

36U型鋼支架安裝如圖2所示。先將φ4.5 mm鋼筋經緯網鋪高強纖維布，每隔300 mm用14#雙股鐵絲單排扣連接成擋矸金屬網。擋矸金屬網搭接寬度及與頂板錨網的搭接壓茬寬度為100 mm～200 mm，每隔200 mm用14#雙股鐵絲雙排扣連接成一整體。先掛鋪擋矸金屬網，然后進行U型鋼支架支護。U型鋼支架分2段，由兩副36U卡蘭連接使用，支護使用時搭接長度為500 mm，頂梁為1 000 mm長11#工字鋼“一梁兩柱”梁式支護，U型鋼支架“中-中”間距為500 mm。緊跟工作面的架后區域及時進行巷幫擋矸防護及頂板支護支撐，防止矸石垮落時竄入留巷內。支護工作隨工作面推進而前進，U型鋼支架端頭距工作面液壓支架架后邊緣距離不大于一個U型鋼支架間距（500 mm），若移架前和端頭支護移動前沒有安裝到位，則不能進行移架和前移端頭支護。

沿巷道中心線偏采空區側1 650 mm為巷旁支護的內邊線，沿巷旁支護的內邊線布置一排U型鋼支架作為巷旁支護，U型鋼支架“中-中”間距為500 mm，頂梁為1 000 mm長11#工字鋼，工字鋼卡在U型鋼上段焊接的槽鋼卡口內，采用“一梁兩柱”的頂板支護方式。

（2）密閉采空區

密閉采空區的材料為高強纖維布及高分子材料。高強纖維布具有高抗拉強度、良好的阻燃、抗靜電性能。高分子材料具有粘附力強、固化物本體抗拉強度高、拉伸變形大、耐久性好、頂立面噴涂不流掛、表干和硬化時間快、絕對阻燃和抗靜電等優點。高分子材料由A（特種水性乳液）、B（各種礦物粉體材料）兩組分組成，使用比例為1:1～2:1。

U型鋼支架架設一定距離（≤10 m）后，確保金屬網及高強纖維布完全封住采空區且四周搭接良好后，將高分子材料均勻噴涂至擋矸金屬網及高強纖維布表層，噴層厚度為10 mm～100 mm。

2.4 回采期間超前支護及滯后加強支護

（1）超前支護

6107工作面采煤推進前在6107運輸順槽超前采煤工作面大于20 m范圍內進行超前支護，當巷道變形嚴重時，必須加長超前支護長度。支護方式：使用三排3 200 mmπ型梁配合DW-28單體液壓支柱一梁三柱順巷道方向支護，π型梁梁頭到兩端支柱中心距500 mm，每梁其余單體液壓柱中心距1 100 mm，相鄰梁頭間距100 mm；單體液壓支柱工作面下煤幫支柱與煤壁間距為300 mm；工作面上（采面）煤幫單體液壓支柱與中間排單體液壓支柱的中心距為1 000 mm；工作面上（采面）煤幫單體液壓支柱與煤幫間距為300 mm。工作面內排頭支架（端頭支護）與運輸順槽超前支護π型梁端距離不大于500 mm。

（2）滯后加強支護

工作面采煤推進之后緊跟架后對頂板進行滯后加強支護與U型鋼支架支護平行作業。支護方式為：單體液壓支柱配合π(3 200 mm)型鋼梁組成的梁式支護，一梁三柱，沿巷道走向布置，梁距幫為1 000 mm，柱距為1 100 mm，π型梁梁頭到兩端支柱中心距500 mm，布置3排，滯后加強支護斷面如圖3所示。滯后加強支護區域位于工作面后方大于100 m范圍，滯后支護的范圍及支設單體支柱排數根據施工期間礦壓觀測結果調整。

圖3 滯后加強支護設計圖

3 工業性試驗

為了對6107運輸順槽采用無煤柱沿空留巷后巷道表面變形進行分析，從6107工作面留巷開始，采用“十字布點法”在工作面回采50 m時布置1個測站，依次每隔100 m布置1個測站，共布置3個測站，依次編號為1#、2#和3#測站，對巷道表面位移情況進行現場監測記錄，結果如圖4所示（以2#測站觀測數據為例）。

由圖4可知，隨6107工作面推進，6107運輸順槽留巷段不斷延長，沿空巷道頂底板和兩幫移近量呈現出現快速增大后趨于穩定的變化規律，具體表現為：滯后工作面煤壁0 m～75 m范圍內，沿空巷道頂底板和兩幫移近量呈快速增長趨勢，在滯后工作面煤壁75 m時，頂底板和兩幫移近量分別達到92 mm和69 mm；滯后工作面煤壁80 m以后，沿空巷道頂底板和兩幫移近量基本趨于穩定，頂底板和兩幫移近量最大值分別為102 mm和80 mm。

圖4 沿空巷道表面位移量

沿空巷道表面變形量在允許范圍內，圍巖變形控制效果顯著，6107運輸順槽留巷效果見圖5。此外，根據礦井裝備的KJ70X型瓦斯監測監控系統、甲烷傳感器和CO傳感器等各類傳感器對工作面和回風流的24小時/天持續監控結果知，沿空巷道采空區側密閉效果良好，無瓦斯超限和有毒有害氣體侵入情況發生。

圖5 6107運輸順槽留巷效果圖

4 結語

針對賈家溝煤礦6107綜采工作面無煤柱沿空留巷所存在的技術難題，對無煤柱沿空留巷成套技術進行研究，主要得到以下結果：

（1）提出6107運輸順槽采空區側頂板切頂卸壓方案，并對切縫鉆孔參數進行設計；

（2）提出采用U型鋼支架進行采空區側巷幫擋矸支護和高強纖維布和高分子材料噴涂對采空區側巷幫實施密閉，進行了工作面回采期間進行超前支護和滯后加強支護設計；

（3）現場應用結果表明：沿空巷道頂底板和兩幫移近量最大值分別為102 mm和80 mm，圍巖變形控制效果顯著。采空區側巷幫密閉效果良好，無瓦斯超限和有毒有害氣體侵入情況發生。