沿空留巷技術在綜采工作面的應用

史俊偉

（山西介休義棠倡源煤業有限公司， 山西 晉中 032000）

沿空留巷是指采煤工作面回采后沿采空區邊緣維護原回采巷道，為了回收留設的保護煤柱而采用一定的技術手段將上一區段的順槽重新支護留給下一個區段使用，做法是沿著采空區邊緣在原順槽位置保留，有助于提高煤炭回收率和減小掘進工作量，通過支護可以避免有毒有害氣體進入，減少巷道進水，另外不僅保護巷道，同時還能降低發生巷道變形量的現象，有力地防止自然災害對巷道的破壞作用。

1 綜采過程中沿空留巷的技術概述

對于巷道設置，早期主要采用留設煤柱法，其實用性和可靠性比較高，但是隨著采煤技術的發展，煤層貯存條件的復雜程度的升高，也出現了許多問題，留設煤柱法對于環境的適應性較差，不易調節，不利于安全生產的管理和作業人員的安全，所以在工作面巷道布置的初期時刻，尤其是初次來壓時，一定要對礦壓、開采方案、開采效率、安全性等相關技術不斷的進行研究，促使其對安全生產進行服務。而如何更好地利用沿空留巷的技術去對巷道進一步進行有效地維護，同時還要提高一定的綜合治理能力的問題，采空區支護技術在國內外得到了廣泛的應用和推廣，在經過實踐與理論的高度結合并結合實際進行改進完善之后，從最初的水泥堆砌的磚石，到用密集的支柱和金屬網棚，再經發展之后的用高分子水材料進行填剁式的充實，通過在高、低抽巷上使用傾向鉆孔來進行替代，實現了真正的無煤柱開采，這樣對煤炭資源的回采和煤炭的連續開采有較大的推進作用，同時也是為了實現安全高效的生產，徹底解決對上下隅角瓦斯超限的問題。

2 綜采工作面沿空留巷技術中存在的問題及分析

在實際的綜采工作面組織生產過程中，沿空留巷技術在其中要有更好的應用，其核心關鍵是要把礦壓的問題徹底解決，在組織生產過程中，綜采工作面實際顯示的礦壓以及沿空巷道的礦壓數值，是綜采工作面支護方式選擇的依據。其中沿空留巷的礦壓一般是來源于工作面上部的頂板壓力，所以支護的頂板是支護的重點所在，要依據標準進行支護形式的選擇和支護強度的設計。在支護設計時，要想實現合理有效，就必須要分析巷道頂板上的礦壓，并循求礦壓的顯示規律，比如巷道的頂板需要承受的礦壓比較大，首先要承受巷道上部巖石自重帶來的壓力；其次還要承受工作面煤層開采過程中超前支承的壓力。沿空巷道的礦壓與其他巷道的礦壓有很大不同，有自己的特點，比如在綜采工作面靠近沿空留巷時，巷道礦壓表現為動態變化的過程，有明顯增加的趨勢，但是在遠離工作面時，沿空留巷又表現為急劇的降低和穩定，總之沿空留巷的礦壓其實是時間和空間上的函數變化，要想沿空留巷技術有效應用，就必須采用合理有效的方法對巷道進行安全防護和支護。

3 綜采工作面沿空留巷的技術設計

3.1 目前沿空留巷多采用的支護方式

最初的綜采工作沿空留巷采用的多是密集支架支護，矸石堆垛支護和砌體墻支護的方式，但是均已經逐步淘汰，因為支護質量和支護效率不高，并且支護強度也不夠，容易造成垮棚和冒頂，支護材料消耗也比較大，另外支護效果不好。其中矸石垛充填和砌體墻支護的具體比較見表1。

表1 沿空留巷的支護方式比較

其中，其他方式的巷道支護技術包括混凝土隔墻支護技術、筒柱支護技術和膏體充填支護技術。這些技術應用于采空區圍護施工非常方便，施工效率很高，支護強度可以得到保證，但仍存在支護成本高的問題，亟待解決。

3.2 綜采工作面頂板運動對沿空留巷的影響

上覆頂板的運動過程控制著下部留巷工程，是影響沿空留巷圍巖穩定的根本誘因。隨著直接頂厚度的降低，基本頂破斷位置不斷靠近充填體，充填體破壞程度依次增加。基本頂回轉角、頂板垮落角隨直接頂厚度減小而增大，基本頂回轉角、頂板垮落角越大，對留巷圍巖破壞越嚴重。因此調控頂板運動狀態，是優化留巷區域應力狀態，維護留巷穩定的治本之策（見表2）。

表2 工作面頂板后期垮落特征表

在工作面煤層上方10 m 的應力分布，一般側向應力分布存在“雙峰應力”，即側向支承應力和墻體上集中應力。其中側向支承應力對工作面的影響是直接頂越薄，應力集中系數越大，老頂直覆時最大；墻上集中應力也是同樣如此，這就說明了老頂的施載效應隨著直接頂的減小而增強。在工作面煤層上方20 m 的應力分布特點則是側向應力為“單峰應力”，墻上無集中應力，支撐體不能控制高位巖層，同時側重向支承應力是直接頂越薄，峰值越靠近留巷，對巷道的影響則越大。由此可以得知，無論頂板條件如何，綜采工作面的開采均會造成留巷周圍支承應力升高，隨著綜采工作面的推進，采動應力不斷調整，會加快圍巖的破壞速度，在采動應力調整階段，支承應力集中系數隨直接頂厚度的減小而增大，支承應力極值位置隨直接頂厚度的減小而遠離工作面，故此要減緩支承應力集中程度是控制沿空留巷圍巖變形的技術核心。

4 綜采工作面沿空留巷技術優化應用及效果分析

以筆者所在綜采工作面為例進行沿空留巷設計的優化。首先進行沿空留巷的設計，具體工藝流程如下圖1 所示。

圖1 沿空留巷設計工藝流程圖

根據工作面的自然條件來合理選用沿空留巷技術，在采用巷道保護技術對其相鄰層內的瓦斯進行抽采降壓后，可在井下抽采的時候對工作面上采空區消除瓦斯安全隱患，以能夠進行創造一個安全高效的開采條件。在既有工作面巷道旁支護時，需要準確選擇和合理計算強度合適的充填材料。如圖2 所示，其中充填材料選用混凝土膏體材料，巷道煤側至頂切線懸空頂板寬度為預留巷道充填體寬度的1.2 倍。當主頂板承壓時，應充分考慮下一層和回填的動荷載系數。另外，回填材料的強度必須滿足承載要求，在開采支護應力的作用下，一般可以采用一些收縮性較強的回填物來選擇回填物進行巷道支護，從而更好地避免巷道變形和壓縮，對巷道維護也具有重要意義。

圖2 沿空留巷旁墻體位置圖

同時，在巷道下側設置密集的木樁，立樁后再堆放沙袋或煤袋；也可以將廢石破碎后裝入專用塑料袋中，將裝滿廢石的塑料袋堆放在巷道下側，使廢石塑料袋相互壓緊進行基礎和頂板連接。采煤工作面采用的核心作業是隨著工作面的推進，將矸石墻堆放在寬度為1.5 m 的巷道下側，具體操作方法是在巷道下側設置兩排行距為1.0 m×1.5 m 的圓木點柱，圓木點柱必須鋪設在硬底上并緊固牢固，使其規整牢固，然后釘上30 mm 厚的發冠板。巷道一側的預留空間呈線形，使預留巷道能夠正常使用。最后，將預留巷道空間與矸石形成線性形狀，使預留巷道能夠正常使用。最后，用矸石拱起預留巷道空間。工作面每三到五個周期拱一次，在拱起時，將豎立的支架與矸石墻之間的單體逐漸去除，同時填充矸石和水泥砂漿，每次堆砌一層矸石時填充一層水泥砂漿，直到砌碹體接至頂板。

經過大量的現場實測表明，采場與采場具有相似的邊界條件、應力特征等共性。因此，地壓產生的機理是相似的。通過此次沿空留巷的技術優化后，工作面的各項技術指標均優于國內外同類技術指標，具體參見下頁表3。

另外，采空區留巷與工作面采場有不同的采空區邊界，留巷為固定邊界，采場為移動邊界，其巖層活動和巖層行為有一定的相似性和特殊性。與工作面連續推進, 在低端的工作面, 板固定在直角的角落, 導致“角”效應,使得該地區弧形失敗,形成“弧形三角形板”“弧三角”的穩定性有很大的影響。巷道的性能和早期支護參數也應采用圓弧三角形結構進行計算。在設計沿空留巷支護阻力時，一般考慮極限狀態，即取頂板達到危險狀態的截面作為截面，得到彈性地基梁模型。在采空區保留期間，綜采工作面后方變形大多具有明顯的分區性，可分為嚴重變形區（-10～50 m）和中度變形區（-50～80 m）。重度變形區巷道兩側最大變形速度約為35 m/d，中度變形區巷道兩側最大變形速度約為15 mm/d。根據礦壓實測結果，空邊支護巷道頂板和底板平均變形為680 mm，兩幫平均變形約為500 mm。頂板和底板變形的現場分析表明，頂板和底板變形主要為底鼓變形，平均底鼓變形在500 mm 左右。在采空區留巷應用過程中，發現工作面前方50～80 m 范圍內頂板和底板的變形速度相對較小，平均變形速度僅為5 mm/d。在工作面前方50 m 范圍內，巷道變形速度逐漸增強，在工作面前方10 m 范圍內，巷道變形速度急劇增加，達到30 mm/d 左右。通過礦壓觀測，可以看出采空區留巷技術作用非常明顯，變形量明顯減小，巷道無大的變化。

5 結論

在引入了沿空留巷技術后,合理精準設計支護形式，可大大提升了煤炭的回收利用效率，減少了掘進施工量，同時就地取材，將矸石資源得到充分合理的利用,同時還能減少對周圍環境的污染，在綜采工作面的經濟效益和社會效益上產生巨大的收益，同時也實現較好的安全效益，為發展提供堅實的動力和基礎，所以說沿空留巷的技術在綜采工作面的成功應用，不僅僅可以使礦井煤炭的回采率得到有效提升，同時也會有效降低巷道的掘進工程量，大幅度地減少綜采工作面的接替時間，為礦井激發潛在的價值，創造巨大的經濟效益。