煤礦采空區下薄煤層沿空留巷關鍵技術與應用分析

孟樹杰

（山西蘭花集團東峰煤礦有限公司，山西 晉城 048407）

0 引言

近年來，隨著煤礦開采工作的進一步推進，大量易開采的煤炭資源近乎采空，使得開采工作更傾向于薄煤層開采，以提升煤炭資源利用率和降低浪費。但薄煤層開采具有空間小、效率低等諸多限制因素，傳統采煤技術難以適應薄煤層的實際情況[1]。為此，就需要應用沿空留巷關鍵技術，以解決薄煤層開采過程中巷道掘進難度大和采掘接替緊張等關鍵難題。

1 項目概況

某煤礦4313-01 工作面為典型的薄煤層工作面，平均尺寸為180 m×1 900 m，平均埋深為130 m。經過對該工作面的勘察后確定，該煤層平均厚度在0.8～1.5 m 之間，屬于典型的薄煤層。煤層可采面積為44.84 km2，大部分可采，且煤質較為穩定。但在以往的開采工作結束后，其留有的區段煤柱給后續煤層回采巷道布置帶來較多困難，而且容易出現應力集中區域，成為沿空留巷技術應用過程中的一項難點問題。針對這一問題，技術人員從理論和實踐兩方面同時著手，對沿空留巷關鍵技術進行研究[2]。

2 沿空留巷技術參數研究和確定

2.1 確定切頂高度

在本環節研究中，技術人員結合已有的勘察資料數據，運用有限差分軟件FLAC3D，建立切頂留巷數值模型，對圍巖變化特征進行分析，分析結果如表1所示。

表1 不同切頂深度下圍巖變化特征分析

從表1 中的數據可知，隨著切頂高度的增大，巷道內部的應力隨之降低，但在切頂高度達到一定程度后，應力的降低效果也隨之減弱。剪應力則隨著切頂高度增大呈現“先降后升”的態勢[3]，當切頂高度為10 m 時，剪應力最小。

在此基礎上，確定應力值較小的10 m 切頂高度進行水平位移分析，其分析云圖如圖1 所示。

圖1 水平位移分布云圖

從圖1 中可見，切縫左側的水平位移變化量較大，且明顯高于右側，經分析，此條件下的最大位移量為20 mm，證明在此條件下能夠有效保持巷道穩定。在此基礎上，由于勘察人員發現在10.5 m 處出現巖層分界，因此經過結合實際情況的研究后，確定切頂高度為10.5 m。

2.2 確定切頂角度

為分析切頂角度的影響，按照上文中設置切縫長度為10.5 m，調整不同的切頂面向采空區旋轉角度，共計五種情況，仍采用FLAC3D 軟件進行模擬分析，分析結果如表2 所示。

表2 不同切頂角度下的圍巖變化特征分析

從表2 中的數據可見，隨著切頂角度的增大，巷道圍巖內部的整體應力呈現逐漸上漲的態勢，表明在切頂角度較大時，應力集中峰值較高，對于巷道的穩定性也更為不利。由此，考慮盡量減小切頂角度的方案，但根據以往的研究經驗可知，切頂角度為0°和10°時，施工存在諸多不便，因此確定切頂角度為20°。

2.3 確定和優化炮孔間距

結合現場情況與以往的工作經驗，本次方案中，采用水平布置10 個炮孔的方式進行布置，從左向右分別編號為1～10，并對編號為2，4，5，7，8，10 的6 個鉆孔進行裝藥爆破。炮孔間距控制為900 mm，深度為11.5 m，打設角度為70°，采用正向爆破串聯起爆模式進行作業。

在爆破完成并檢查安全后，采用相機拍攝和現場鉆孔窺視的方法，對鉆孔的形態和內部情況進行研究，結果如圖2 所示。

圖2 爆破后的鉆孔整體形態（左）和內部窺視情況（右）

從圖2 可見，爆破作業后，爆破孔整體情況良好，孔口處壁面均無破碎和明顯裂縫，未對原有支護造成明顯影響。同時，孔深范圍內縱向裂隙分布較廣，且在較大范圍內縱向裂隙呈對稱分布，證明爆破效果較為理想[4]。整體來看，本次炮孔間距平均孔隙率為93%，與傳統模式下600 mm 間距的平均孔隙率96%相比明顯減小，但滿足切頂需求的最低值90%，且能夠降低人力和物資消耗，因此確定炮孔間距調整為900 m。

3 沿空留巷關鍵技術實際應用測試

3.1 方案布置

經過理論計算和數值模擬后，并考慮實際情況，研究人員最終確定將沿空巷道布置在與上煤層煤柱內錯距離為20 m 的位置，聚能爆破切頂高度為10.5 m，預裂角度為20°，炮孔間距為900 mm。同時，為進一步加強支護效果，采用高水材料進行充填，其中充填體寬度為1.6 m，材料水灰比則為1.5∶1。

在此基礎上，技術人員增設補強支護，在充填體內部布置對拉錨桿進行補強。在本環節中，對拉錨桿共布置兩排，間排距為800 mm，錨桿材料則選用直徑為22 mm 的螺紋鋼材料。整體支護示意圖如圖3所示。

圖3 補強支護示意圖

3.2 礦壓監測及分析

為確保該工作面能夠安全高效開采，工作人員布置礦壓監測方案，該方案涵蓋該工作面和巷道位置，并通過現場試驗和理論分析相結合的方式對礦壓的具體分布規律等情況進行監測。具體監測內容主要包括以下幾個方面：應用錨桿應力計，在留巷段的每個測站各選4 根錨桿進行安裝監測；使用測尺測量巷道表面位移，測點主要布設在頂底板中部豎直方向和兩幫中部水平方向[5]；在留巷段的五個測站中，布置頂板離層監測儀器，對圍巖深部位移進行監測。

通過相關監測后，技術人員得出如下結論：頂底板和兩幫的移近量整體呈現變大趨勢，但在60 m 以后的變化不甚明顯，主要指20～60 m 范圍內變化較為突出，頂底板最大移近量為90 mm，兩幫最大移近量為80 mm，整體來看，頂底板和兩幫的移近量均較小，證明巷道圍巖變形量較小，圍巖結構穩定，能夠確保安全穩定生產的實際需要。錨桿最大應力為11 MPa，遠小于錨桿的破斷載荷，對抑制煤柱幫變形較為有效。

3.3 效益分析

在確定本次設計的沿空留巷關鍵技術具有可行性后，企業將這項技術投入實際測試，主要測試結果如表3 所示。

表3 沿空留巷關鍵技術指標對比

從表3 中的數據可知，在應用本次設計的沿空留巷關鍵技術后，其關鍵指標較傳統模式相比均得到明顯改善，也即證明這次技術模式的有效性。

4 結語

整體來看，在本次研究中，針對煤礦采空區下薄煤層的煤炭資源開采利用難題，結合實際情況和已有的研究經驗，設計了符合實際需要的沿空留巷關鍵技術，確定了主要的技術參數，通過礦壓監測分析環節可知，該技術能夠為薄煤層安全高效開采提供保障。而后對其技術經濟指標進行對比，對比結果表明，這項技術具有一定優勢，有待于進一步研究和推廣應用。