冯涛

山西汾西矿业集团正新煤焦有限责任公司 山西 沁源 046500

在井工煤矿生产过程中，合理的采煤技术应用不仅能够减少井下煤炭资源的损失，还能有效提升综采工作面的回采率，尤其是在一些容易发生煤层自燃的矿井中，沿空留巷技术的应用，能够进一步改善矿井的生产条件和劳动强度，促进矿井煤炭资源才采出率的提高，为煤矿安全生产和经济效益的提升创造了良好的条件。

1 沿空留巷顶板岩层运动特点

回采工作面推过后，顶板活动可划分为三个时期，即前期活动、过渡期活动和后期活动。

工作面回采过后，支架前移，工作面支架后方的顶板失去支架的支撑，直接顶在自身重力及支护体产生的切顶阻力以及老顶下沉的带动下，多方力量共同作用，旋转变形，沿着支护体边缘发生断裂，断裂后呈倒悬臂梁状态。这一时期的留巷顶板的活动为前期活动。

当直接顶垮落后能充满采空区时，老顶岩层折断垮落，在平衡过程中老顶可形成砌体结构。当直接顶岩层垮落后不足以充满采空区时，上位部分老顶岩层也将挠曲断裂冒落，充填采空区，直至达到充满采空区的层位后其上部老顶岩层方可形成砌体结构。随老顶岩块的旋转，老顶岩块在下部冒落碎矸石的支撑下形成的“三角块结构”逐渐稳定，从而使沿空巷道一定范围内的应力小于原岩应力，该阶段的顶板运动称为顶板过渡活动期。

其变形仍以旋转变形为主，变形速度快，变形量大。随着矸石的逐渐压实，形成稳定“三角块结构”的上位岩层也将折断、变形下沉，使煤壁乃至直接顶产生损伤，支承压力影响范围加大，峰值进一步内移，留巷上方顶板产生平移下沉，由于受老顶分层垮落的影响，巷道顶板下沉呈现波动性。此阶段顶板活动称为顶板后期活动期。顶板运动特征以旋转下沉为主，但下沉速度较小。

2 综采工作面顶板管理现状

2.1 煤层埋深大

矿井煤层埋藏较深，其中三采区埋深达668-880m。随着开采深度的不断增加，进入三采区深部高应力区域后，地质构造变得复杂、围岩动压显现普遍强烈。在深部原岩应力、开采复杂地质构造带形成的构造应力以及工作面回采时的采动应力叠加作用下，呈现显著的高应力围岩大变形特征，并回采过程中伴随动力扰动型冲击破坏特征，对深部高地应力工作面的安全高效开采造成了巨大威胁。

2.2 长距离沿空留巷变形周期长

矿井回采工作面走向长度大，顺槽长达1500-2000m，沿空留巷服务时间为3-5年。多采用高水充填沿空留巷方式，能较好的隔断采空区的漏风，避免采空区遗煤自燃。

2.3 上下煤层间距小易导通上部采空区

矿井主采2#、4+5#煤层，层间距仅为3m左右。一采区4+5#煤层开采时，因工作面布置在2#煤层采空区下为复合顶板，极易与采空区导通。

3 沿空留巷技术优势

（1）“两进一回”通风方式通过联巷排放瓦斯，采空区通风，不但造成采空区瓦斯大量涌出，且不符合《煤矿安全规程》有关规定。沿空留巷技术将工作面U型通风或者U+L型通风调整为Y型通风，有效解决工作面上隅角瓦斯积聚问题，使得工作面的安全程度得到了大幅度的提升。

（2）U型通风工作面布置时是一面两巷，工作面与工作面之间需要留设煤柱；U+L型通风工作面布置时是一面三巷，尾巷与工作面巷道之间也需要留设煤柱以及横贯，留设煤柱较多，而且工作面布置周期长，严重制约了矿井采掘衔接，同时巷道重新维护、扩帮、起底，工程量及周期不亚于重新掘进一条巷道，沿空留巷技术可以实现工作面无煤柱开采，提高煤炭回收率，同时降低巷道维护成本。

（3）解决矿井生产衔接紧张问题。传统“两进一回”通风方式，要投入大量时间去准备新的采煤工作面。采用沿空留巷工艺，一巷两用降低巷道准备工程量，缓解接替紧张降低工程费用，同时解决了“一面三巷”布置中瓦斯抽采巷地应力大维护困难的难题；掘进工程量大量减少，有利于工作面提前构成，为瓦斯预抽提供充足的时间和空间，可从根本上解决采、掘、抽衔接紧张问题，使矿井采、掘、抽工程衔接步入良性循环轨道。

（4）沿空留巷技术应用后，工作面通风方式调整为Y型通风，很大程度减少了风排瓦斯量，缓解了矿井通风系统压力，同时对抽采系统也提供了有利的条件，通过优化抽采钻孔布置，极大程度提高了抽采量，进一步提升了矿井抽采系统的能力。

4 沿空留巷技术

4.1 机械立模沿空留巷

该技术选用的充填材料为膏体混凝土，其主要成份是：硅酸盐水泥、碎石、砂子、粉煤灰和添加剂，该材料为免振自密实。该技术的实施工序包括：

（1）拉架、支护、平整底板

工作面推进时，提前在支架前方顶板上铺设铺钢塑复合网（2.5×1.5m）并进行联网，同时配合锚杆、钢带进行联合支护，保证工作面截割后充填区域顶板完成及平整。

工作面截割步距为0.8m，因此工作面每截割4次，充填一次，如果遇到工作面顶板破碎时，缩小步距，截割1-2个步距后充填一次，充填时，将充填箱顶、底板进行平整，并将支架周围杂物清理，确保充填在坚硬底板上。

（2）机械立模

该技术采用箱式沿空留巷模板支架，ZZTM2×10300/17.5/30H型沿空留巷模架，模板支架通过支架前移拉移。充填前，清理充填箱内浮煤、浮矸等杂物，架设好充填管路。充填箱体内架设钢筋，并将预埋的瓦斯抽采管路按照抽采要求架设好，同时在充填箱四周粘贴彩条布，方便后期充填体凝固后，模板支架脱模，也能避免充填浆料泄露。

（3）充填材料的运输、储运及上料方式

充填所需材料有井下通过矿车运输至充填泵站，在经过人工上料，将充填料按照要求的水灰比进行配比，输送到混凝土泵，通过充填管路输送至充填箱体内，每个充填步距为3.2m。

（4）充填

充填工序如下：首先打开静压水管阀门，按照水灰比要求确定水的流量，开启混凝土泵，泵送静压水，确定管路畅通后，泵送细料（水泥、粉煤灰含量高，细沙、石子含量低），接着为粗料（石子含量正常）充填，充填箱体上不500mm高度全部进行细料充填，充填完成后，泵送清水清洗管路。充填过程中要时刻关注泵的工作状况、充填料泵送的均匀程度以及充填料的平流堆积状况，同时确保充填体要充分接顶，防止采空区漏风。

充填过程中，堵管事故常有发生，一旦发生堵管后必须立即处理，分段拆开充填管路，快速判断堵管位置，泵送静压水冲洗管道中浆料，防止充填料在管路中凝固，提升处理难度。管路冲洗必须在最短时间内完成，从而最大程度减小对生产的影响时间。

（5）充填墙体凝固

为了进一步提升充填墙体的质量，以达到规定的要求，充填时要确保每个充填体都支设在坚硬的底板上，同时确保充填体与顶板充分接触，由于充填材料最少需要4小时凝固，因此，充填完成后，要保证不少于4小时的凝固时间，待充填体凝固后方可移动或者调整充填箱体

该技术的解决了工作面上隅角瓦斯超限的难题，且充填墙体阻力高、安全性好、施工速度快，留巷巷道变形量小，巷道断面满足生产需求；但是存在一下问题：一是充填箱容易瓦斯积聚，且充填箱跟随溜子前窜后缩，充填宽度不固定，二是留巷充填材料使用量大，劳动强度高，运输量大。

4.2 柔模支护沿空留巷

为解决机械立模沿空留巷中存在的问题，采用柔模支护沿空留巷。

该技术是将箱式沿空留巷模板支架改为柔性模板支护，充填材料不变还是使用膏体混凝土。在工作面推进过后，紧跟着在工作面端头支护出采用单体支柱配合棚板、柱帽等材料支撑顶板，并用锚杆、点柱等将柔性模板进行固定，泵送膏体混凝土至工作面沿空留巷柔模袋中，膏体混凝土凝固形成充填墙体。

柔模支护沿空留巷解决了机械立模沿空留巷中充填巷容易积聚瓦斯及随支架溜子移动不受控制的问题，但也存在留巷所需充填材料使用量大，增加了人工立模、拆模工序，劳动强度大。

4.3 高水速凝充填材料沿空留巷

该技术主要包括三部分：甲乙两种材料分别制浆，浆液输送和充填成型。

（1）制浆系统。使用甲，乙两套专用的泥浆搅拌机分别配上加水加料设备，按照水灰比1∶1的比例对甲，乙两种粉料进行分别搅拌，形成均匀的浆液（水灰比可以调整）。

（2）输送系统：均匀的浆液分别使用甲，乙两套泥浆泵和输送管道等量送入混合器进行混合。

（3）合形成系统：甲，乙两种浆液在混合器中经过充分混合后，一起送注充填袋内。

与一般的水泥类材料相比，高水速凝材料具有以下优点；

（1）凝固速度快，高水材料的甲，乙两种浆液混合后 5-30 分钟以内完全初凝。

（2）泵送性能好，甲，乙两种材料的浆液混合前不凝固，不沉淀。

（3）充填体具有较高强度和良好的“恒阻”特性，无毒无害。

（4）两种浆液混合后 10-30 分钟完全初凝，30-90 分钟完全终凝，120 分钟抗压强度≥3MPa，1d 抗压强度 4-7MPa，7d 抗压强度 7-10MPa（水灰比越大强度越低）。

（5）单位体积充填材料用量少，在水灰比1∶1的条件下，1m3充填体只需高水速凝材料540kg；（为采用混凝土充填材料用量的1/4）

（6）充填工艺系统操作简单，劳动强度低，充填速度快；泵送不受输送距离限制。

该技术虽然优点较明显，但是也存在以下缺点，一是充填墙体的支护强度不高，部分充填墙体收缩量较大，致使留巷变形大，巷道返修频繁，导致巷道维护困难。

4.4 爆破切顶卸压沿空留巷

该技术主要两项关键技术：定向爆破预裂切顶技术和恒阻锚索控顶技术。

以往的沿空留巷技术仅仅是对充填墙体强度进行研究，该技术先是通过恒阻锚索控顶技术，即在留巷侧施工恒阻锚索进行超前加强支护，待支护稳定后再巷帮与顶板夹角处施工爆破孔并配合双向特制聚能管进行定向切顶爆破。待工作面推进过后，在端头支架后方利用单体支护配合钢筋网片进行挡杆支护，拉架后垮落顶板形成巷帮。

该技术的应用，一是减少了材料成本，巷帮有垮落的顶板形成，减少了以往充填墙体的材料投入，但是在锚索支护、爆破等方面人工投入较多，但是整体核算生产成本降低；二是降低顶板管理难度，巷道底鼓量、顶板下沉量均有所减小，减少了巷道的维护量；三是提前施工的恒阻锚索加强支护和预裂爆破，均能在巷道超前进行，不影响工作面生产，而充填墙体沿空留巷需要工作面没推进4m左右停止生产，在工作面端头处进行顶板支护，之后进行充填作业，降低了工人劳动强度和劳动时间，提高了工作效率。

但是，该技术对于煤层容易自燃工作面，采空区漏风严重，采空区遗煤容易自燃引发火灾，同时如果工作面溜子、支架出现上窜下滑现象，上窜导致挡矸支柱支设在恒阻锚索下方，顶板来压，点柱弯曲变形，支护失效；支架出现下滑现象，支架与原巷道支护有空隙，再因上部顶板已经提前预裂爆破，给安全生产埋下隐患。

5 结论

通过对机械立模沿空留巷、柔模支护沿空留巷、高水速凝充填材料沿空留巷、爆破切顶卸压沿空留巷四种沿空留巷的工艺、施工工序、解决的问题及存在的问题进行了分析，发现沿空留巷技术虽然在煤矿生产中具有一定的优势，但是在支护上还存在一定的问题，主要表现在：一是设计思路不合理。巷道掘进、工作面回采、留巷支护往往都是独立设计，不能系统的全盘考虑；二是巷旁支护不能充分考虑巷道支护阻力和可缩性，对于巷道维护和采空区漏风等情况不能兼容到。

针对以上问题，一是要充分考虑到巷道要经受掘进、两次回采的强烈采动影响，从掘进前各项参数进行最优设计，并对掘进期间、回采期间超前支护等进行全面、系统设计；二是综合考虑巷道支护、瓦斯治理、通风管理等多方面因素，采用合适的最优的沿空留巷方式，保证煤矿生产的安全顺利进行。