巷旁无充填沿空留巷支护技术研究与实践

2014-11-26彭俊水

中国煤炭 2014年1期

关键词：空留巷型钢单体

彭俊水

(冀中能源股份有限公司显德汪矿，河北省邢台市，054103)

无煤柱护巷技术以其在成巷速度、煤炭采出率、瓦斯治理和经济效益等方面的优越性而受到重视。沿空留巷就是其中应用广泛的一种无煤柱护巷技术。本文结合冀中能源显德汪矿的实际情况，尝试使用巷旁无充填沿空留巷技术获得成功，取得了较好的经济效益。

1 工程概况

显德汪矿是冀中能源集团旗下股份公司的一个主力生产矿井，生产能力170万t／a。显德汪矿成立于1982年11月，至今已有30余年的开采历史，资源日益枯竭，采掘接替紧张，因此推广沿空留巷技术具有重要的现实意义。

拟留巷的1914工作面位于九采区东翼，开采1＃煤层。工作面埋深337～479m，走向长度750m，工业储量18.9万t，可采储量18万t。煤层中下部含薄层夹矸，夹矸厚0～0.15m，煤厚0.7～1.9m，平均厚1.16m，局部受构造挤压变薄。煤层倾角11°～23°，平均倾角17°。工作面顶底板岩性如图1所示。1914运料巷为梯形断面，巷道规格为4.2m×2.2m (宽×下帮高)，拟留巷长度580m作为1916工作面的运料巷使用，为了满足1916工作面通风、行人及支架运输的要求，留巷净断面不小于3.5m×2.4m (宽×巷中高)。

图1 1914工作面煤岩层柱状图

2 沿空留巷矿压显现特征

工作面初次回采过后，实体煤帮上方老顶断裂，并向采空帮方向发生回转，直接顶也在老顶的回转压迫下急剧下沉，产生大量的裂隙，极易发生冒顶。在老顶的下沉中实体煤帮产生应力集中，加剧了浅部围岩的破坏，承载能力降低。沿空留巷全过程的围岩变形可以分为以下几个阶段。

(1)初采影响阶段。初次回采过程中，老顶破断，开始回转变形，留巷的围岩应力开始重新分布。巷道围岩塑性区扩大，变形急剧增长。此阶段顶板活动剧烈，围岩变形增大明显，是沿空留巷最困难的阶段，是留巷能否成功的关键。

(2)留巷稳定阶段。工作面后方一定距离外，采空区上覆岩层的运动趋于稳定，围岩应力形成一种新的平衡状态，相比第一阶段，此时可适当降低支护强度，减少材料使用，降低成本。

(3)二次回采超前影响阶段。下一个工作面回采时，此时回采引起的超前支承压力和侧向支承压力与上一个工作面的残余支承压力叠加。因此，与初次回采相比，此阶段围岩破坏范围迅速扩大，变形更加剧烈，影响范围也更大。但此阶段支护时间短，只需在已有的支护体系上适当加强即可，维护相对容易。

3 1914工作面沿空留巷支护方案

沿空留巷是一个系统工程，从最初掘进时的支护设计到初次回采时的加强支护到二次回采时的补强支护，应该统筹规划，在不同阶段、不同时期采用不同的支护方式，只有这样才能在保证留巷成功的同时获得最大的效益。

研究表明，只有采用合适的巷内支护和巷旁支护才能保证留巷的成功。当前巷旁支护的主要方式有木垛、密集支柱、矸石带、混凝土砌块等传统的支护方式到新兴的高水速凝材料和膏体材料等。而巷内支护也从最初的工字钢、U型钢发展到现在的锚杆索支护。传统的巷旁支护方式强度低并且施工复杂，工序繁多，而高水速凝材料和膏体材料等价格昂贵，经济效益低。如果巷道掘进时采用棚式支护体系，会给留巷后期的补强支护带来不便，结合显德汪矿的实际情况，1914工作面沿空留巷决定采用靠帮单体柱强制切顶、锚杆索和单体柱配铰接顶梁相结合主动支护、锚压双层金属网、加靠帮π型钢背裱半圆木阻隔冒落矸石形成隔离墙、无人工巷旁充填的总体支护方案。

3.1 巷道基本支护

巷道基本支护是留巷全过程支护体系的主体，其支护质量的好坏直接影响后期留巷维护的难易程度。1914运料巷的支护方案如图2所示。巷道顶板采用∅22mm×2000mm左旋螺纹钢强力锚杆配金属梯子梁 (∅14mm的A3圆钢，长4000mm)加CK2333和Z2360树脂药卷各一卷加长锚固，间排距为800mm×700mm。顶板打3排∅15.24mm×9000mm锚索，靠近回采侧巷帮 (也称采空侧巷帮)的一排为联锁锚索，其余两排为迈步锚索。巷帮用∅16mm×1850mm普通圆钢锚杆挂双抗塑料网配金属梯子梁及一卷Z2360树脂药卷加长锚固，间排距750mm×700mm。

图2 1914运料巷支护布置图

3.2 初采阶段加强支护

沿空留巷具有顶底板变形量大、深部围岩塑性区范围大、浅部围岩裂隙发育等特点，因此，要求支护体系在减小围岩变形的基础上适应围岩变形，这样既能保持围岩完整并阻止围岩的大变形，还能减少支护体的破坏。因此，需要在巷道原有基本支护的基础上对巷道顶板和两帮进行加强支护。加强支护主要分为巷内的补强支护和巷帮的加强支护，巷内补强以单体柱为主，巷帮支护的重点是回采侧巷帮采用单体柱配十字铰接顶梁、接π型钢压双层金属网并辅以注浆锚杆加固破碎岩石的方法，其总体支护方案如图3所示。

图3 初采期超前支护布置图

3.2.1 初次回采超前支护

根据沿空留巷超前支承压力分布范围的分析，将超前支护距离定为30m，此阶段的支护主要是对实体煤帮的支护以及为采后回采侧巷帮的支护做准备工作。

(1)实体煤侧巷帮支护。1914运料巷的下帮作为实体煤帮，是采后顶板压力的重要承载基础，变形以臌帮为主。因此在距巷道顶板1200mm处补打一排∅15.24mm×6000mm联锁锚索，锚索向顶板方向倾斜15°，间距2500mm。

(2)回采侧巷帮及巷旁支护。为防止采空区冒落矸石窜入巷道，在回采侧巷帮预铺两层1.0m×6m的金属经纬网，并在巷道顶板距帮400mm处补打一排∅22mm×2000mm顶锚杆，排距为700mm，配合使用长度为2600mm锚梁固定经纬网。在距巷道中心线1600mm处的回采侧巷帮打一排单体柱并配十字铰接顶梁压住网片。铺网要求第一片压住第二片，搭接长度500mm，并用14＃铁丝单排联接，扣距100mm，双丝双扣，每扣扭结不少于3圈。

(3)顶板支护。在靠实体煤帮距巷道中心线950mm处打一排单体柱支撑顶板，柱距500mm。要求单体柱必须穿铁鞋，初撑力不低于90kN。

3.2.2 剧烈变形区支护

工作面回采过后，巷道急剧变形。1914运料巷留巷动压影响范围约为工作面后方70m左右，此阶段的支护是留巷能否成功的关键。

(1)采空帮支护。为防止采空区垮落的矸石窜入巷道，贴近采空帮打一排π型钢，排距为500mm，用以固定金属网并切顶。在强制切顶的基础上，通过顶接十字顶梁、底穿铁鞋等措施提高支架顶底的摩擦阻力以平衡采空区侧向压力。随着工作面的推进，先前铺设的双层金属网逐渐展开，与在π型钢后背裱的半圆木形成了以补打锚杆为固定点的网—矸石阻隔墙，以替代人工巷旁充填进行护帮。其现场支护情况如图4所示。

图4 剧烈变形区采空帮支护

在此期间，每天向采空区洒水，加快破碎岩石重新胶结。滞后40m左右补打3排∅25mm×2000mm注浆锚杆，最上位锚杆距顶板500mm，间排距800mm×1000mm，两端锚杆倾斜，中间锚杆垂直巷帮布置，锚杆外露长度不超过100mm，加长度为1900mm的梯子梁护帮，要求锚固力不低于2t。

(2)顶板支护。单体支柱配金属铰接顶梁和十字铰接顶梁 (顺巷布置)加强顶板支护，除靠帮的切顶柱之外，加打两排，分别位于距巷道中心线500mm和1100mm的两侧。靠回采巷帮侧的单体柱通过十字铰接顶梁和切顶柱相连，形成一个整体，增加稳定性，如图5所示，剧烈变形区总体支护方案如图6所示。

图5 单体柱接π型钢布置图

图6 初采期剧烈变形区支护布置图

3.2.3 变形缓和区和稳定区支护

在工作面后方70～130m，围岩运动逐渐趋于缓和，此时可撤去靠实体煤帮的单体柱。

工作面后方130m以外，采空区垮落的岩石基本压实，顶板活动也趋于稳定，此时可视情况撤去所有的单体柱，仅保留π型钢，并紧靠π型钢支1排圆木，间距1000mm。为防止采空区漏风，向采空帮喷射混凝土，配比为水泥∶沙子∶石子＝1∶2∶2，厚度要求不低于100mm。

3.3 二次回采时期支护

初采过后，巷道围岩形成新的应力平衡，变形趋于稳定，在二次回采之前，也就是1916工作面回采时，仅需对巷道超前支护。在距实体煤帮1000mm处和距采空帮350mm处各打一排单体柱支撑顶板，柱距500mm。

4 矿压观测结果及经济效益分析

4.1 矿压观测结果及分析

1916工作面自2012年12月中旬开始回采，现已进入回采后期。为了准确掌握留巷的应力形变特点，确保回采期间的安全，总结此次沿空留巷实践的经验，在回采过程中设置了测点，采用十字布置法对巷道顶底板和两帮的相对移近量进行了监测。其中5＃测点从工作面前方超前56m始测，直至工作面推过241m后停止，可以作为典型的留巷全过程变形曲线，其巷道表面位移曲线如图7所示。

图7 5＃测点巷道表面位移观测曲线

由观测结果可以看出，所留巷道的表面位移量及位移速度表现出明显的阶段性，从工作面前方约20m开始，受超前支承压力的影响，顶底板和两帮开始出现移近现象，并在工作面前方10m左右出现峰值。在工作面推过之后，巷道表面围岩剧烈变形，变形速度在工作面后方12m左右达到峰值，为初采期间的剧烈变形区。之后，变形逐渐变缓，在工作面后方约125m处，变形量基本稳定，保持不变，为留巷的稳定阶段。留巷的分阶段支护设计与巷道表现出的阶段性变形特征相吻合，表明此次留巷支护是合理有效的。

顶底板累计移近量约为690mm，其中底臌量为260mm，可以通过卧底解决。两帮移近量为450mm。这样，卧底后所留巷道也就是1916运料巷的规格约为3.75m×2.41m (宽×巷中高)，满足了生产要求。

4.2 经济效益分析

沿空留巷不仅少掘一条巷道，而且实现了无煤柱护巷，提高了煤炭的采出率，但在留巷后期也有一定的维修费用。

新掘巷道成本按3500元／m计算，长580m巷道共节省掘进费用203.0万元；取消了4m的实体煤保护煤柱，按97%的回采率、煤价400元／t计算，可创收177.5万元；后期沿空留巷的维护成本则包括留巷的支护材料费、人工费用以及卧底整修费用等，按2200元／m计算，共支出127.6万元。因此1914工作面沿空留巷共创造的经济效益为节省的巷道掘进费用＋回收煤柱的创收-后期的巷道维护费用，共计252.9万元。