淺析沿空留巷技術

孫學軍

長春市新立城煤礦，吉林 長春130122

鄂爾多斯閆家渠煤礦隸屬鄂爾多斯市伊金霍洛旗。礦井可采儲量1 835萬噸，含可采煤層四層，由上至下分別為Ⅲ—2、Ⅳ—2、Ⅴ—2、Ⅵ—1煤層，其中唯有 Ⅳ—2煤層是較為理想的可采煤層，本設計的1404工作面即為Ⅳ—2煤層內工作面。該礦井設計能力60萬噸/年，采用兩進一回通風方式，其中兩進風井主斜井和輔運斜井采用斜井運輸兼入風，風井采用立井回風。工作面采用一個綜采回采，一個綜掘準備的一采一掘方式。該礦井已于2008年通過驗收，現為生產礦井。該井田位于東勝井田，東勝煤田大地構造位于華北地臺和鄂爾多斯臺向斜東勝隆起區之東北部，地層傾向南西，傾角一般1°～3°，無較大的斷裂構造和褶皺、巖漿巖侵入，局部有平緩的波狀起伏，總體構造形態為向南西傾斜的單斜構造，區域地質構造簡單。

1 工作面概況

1404采煤工作面走向長1 600m ，傾斜寬150m ，煤層均厚2.0m ，煤層煤質堅硬。工作面采用單一走向長壁式綜采機械化采煤方法，全部垮落法管理頂板，采高2.0m 。

直接頂以粉砂巖為主，厚3.2～8.6m ，局部為砂質泥巖；老頂為粉細砂巖互層，厚5.3～18.6m ；直接底為砂質泥巖及粉細砂巖互層，水平層理發育。煤層無突出危險，但具爆炸危險性，爆炸指數37%～40%，具自燃發火性，自燃發火期3～6個月。

閆家渠煤礦在1404采煤工作面上風巷采用沿空留巷技術，保證沿空留巷后的巷道滿足工作面需要，提高煤炭回收率，緩解了采掘接續緊張的矛盾，改善了井下作業的條件。

在工作面回采過程中，1404上風巷靠輔運大巷側區段（自采煤面煤壁線與輔運大巷之間）和下順槽兩巷進風，1404上風巷靠切眼側區段（自采煤面煤壁線與切眼之間）與上一階段1405工作面的切眼及1405上風巷作為回風巷。當1404工作面回采結束后，1404上風巷留作為上一階段1405工作面的下順槽。該上順槽即作為1404工作面的上順槽，又要在工作面回采過程中及回采后保留住作為1405工作面的下順槽。為了保證沿空留巷的安全及使用，需要對已掘進完成的1404上風巷進行加強支護，即是加強的錨桿和錨索聯合加強支護。巷道布置見圖1。

圖1 工作面巷道布置圖Fig.1 Arrangement diagram of working face tunnel

2 巷道支護情況

1404工作面上風巷全長1 600m ，巷道沿4-2號煤底板掘進，巷道斷面為矩形：巷寬3.8m ，巷高2.4m ，巷道斷面積9.12m2，采用錨梁網支護。頂板支護：錨索+錨桿+12#槽鋼梁+金屬網。巷道斷面內共布置2根錨索、3根錨桿。錨索規格ф15.24mm×6 300mm，錨桿規格ф20mm×2 000mm，錨桿、錨索間排距800mm×900mm。

巷幫支護：錨桿+錨條+鋼筋網。上、下幫各布置4根錨桿，錨桿規格ф20mm×2 000mm，錨桿間排距，上幫700mm×900mm ，下幫700mm×900mm（見圖2）。

巷旁充填：在工作面回采中，在巷道靠工作面一側建造走向充填帶，對巷道進行充填，并利用充填墻對巷道頂板進行支護。充填的高度要求直接接頂，寬2.0m。同時充填帶用風筒布將巷道與采空區進行隔離封閉，防止向采空區漏風。

圖2 1404上風巷錨梁網支護設計圖Fig.2 Design chart of support with anchor beam net of 1404 air return roadway

3 沿空留巷的頂板支護分析

3.1 巷道直接頂厚度變化造成頂板可能發生離層斷裂的高度不確定

煤層直接頂以粉砂巖為主，厚3.2～8.6m ，局部為砂質泥巖。當巷道直接頂在3～7m 之間變化時，頂板可能發生離層斷裂的高度也可能變化在3～5m 之間。因為根據閆家渠煤礦實際冒落高度，本巷道最大冒落高度為5m 左右，因此在進行支護設計時，必須以巷道可能的最大冒落高度為依據，使支護可以控制這一高度內的頂板冒落。

3.2 錨桿、錨索支護難以控制沿空留巷頂板沉降

實體煤巷道的變形是由于巷道圍巖內的應力作用所產生的，而能夠作用于巷道的應力范圍是有限的，或者說是一個很小的范圍；而沿空留巷的變形是由于整個采場（相鄰采空區）覆巖的運動所引起的，是大范圍內巖層的運動所引起的。沿空留巷時，相當于將原來的采空區邊界向實體煤方向推進，擴大了采空區范圍，因而打破了原采空區邊緣頂板巖層內的應力平衡和穩定狀態，使留巷和整個采空區一樣，其頂板將與覆巖一起產生整體下沉和傾斜移動。即使在回采時對巷旁進行充填，但在覆巖運動所產生的巨大的頂板壓力下，這些充填體難以阻止頂板的下沉和移動。錨桿和錨索支護只能控制巷道頂板有限高度內或很小范圍內的變形，不能、也不可能控制整個采場覆巖的運動，因此也就不可能控制沿空巷道頂板的下沉和移動。不論采用何種錨桿和錨索支護技術，頂板巖層還是會按照固有的運動規律運動，并壓迫巷道產生變形。或者說，巷道的最終變形與采用何種錨桿或錨索支護技術無關。

3.3 可能存在的安全威脅

⑴頂板垮冒的可能性：對于采用錨梁網支護的沿空留巷，最大的安全威脅來自于巷道頂板的垮冒，當巷道頂板沿巷道的采空區側斷裂后，巷道空間內的頂板成為懸伸的無支護的懸臂頂板。在頂板壓力作用下，其內應力達到或大于其極限破壞強度時，頂板則有可能在實體煤側上方發生斷裂，進而發生頂板垮落。當其斷裂的高度大于錨索的支護高度時，或者斷裂后的頂板巖層重量大于錨索的支護力時，頂板的斷裂、垮落就有可能會發生。

⑵頂板碎裂的可能性。錨索、錨桿對于巷道頂板的支護，其條件是錨索、錨桿的內錨巖層必須是穩定的、完整的。由于沿空留巷要承受兩次采煤面超前支承壓力的劇烈作用，巷道頂板，特別是巷道的直接頂板容易發生離層和破碎。一旦頂板發生離層破碎的高度達到錨桿、錨索的內錨處時，錨桿、錨索的內錨就會產生松動，造成錨桿、錨索的錨固強度降低或失敗，從而危及巷道的安全。

⑶沿空留巷頂板的斷裂分析。1404沿空留巷頂板沿傾向的斷裂，可以分為4種情況：①頂板在1404采煤面回采期間發生第一次斷裂，但在1405采煤面回采時沒有發生斷裂，頂板只發生一次斷裂②頂板在1404采煤面回采期間沒有發生斷裂，但在1405采煤面回采時發生第一次斷裂③頂板在1404采煤面回采期間和在1405采煤面回采期間都沒有發生斷裂④頂板在1404采煤面回采期間和在1405采煤面回采期間都發生斷裂，頂板共發生兩次斷裂。

顯然，第三種情況最為有利，而第四種情況則最為不利。

巷道地質條件不同，巷道頂板的斷裂位置亦不同：①巷道頂板在充填體上方斷裂，此種情況對巷道安全較為有利，上覆巖層的部分壓力通過斷裂的頂板巖塊作用下采空區冒落的矸石之上，減輕了巷道頂板上的壓力，巷道處于懸伸于巷道上方的頂板巖層的掩護之下②巷道頂板在巷道上方斷裂，此種情況對巷道安全的威脅較大，當充填體因承受不了頂板壓力而完全破壞或塌陷時，斷裂巖塊向采空方向傾斜、彎曲，斷裂的頂板將會給巷道支護造成巨大壓力，則只有通過采用適當的加強支護措施才能維護巷道的安全③巷道頂板在實體煤上方斷裂，此種情況最為危險，當錨索的錨固深度淺于頂板的斷裂高度，或者錨索的支護強度不足以懸吊支撐斷裂巖層的重量時，頂板將會發生垮冒，巷道將會被全部壓垮。

3.4 沿空留巷針對性支護措施

⑴加強頂板支護：巷道頂板采用錨索配合槽鋼梁進行加強支護。槽鋼梁沿巷道橫向鋪設在原錨桿支架位置。每根槽鋼梁上安裝兩根錨索，錨索均垂直頂板層面安裝。加強錨索支架的棚距與原錨桿支架的棚距相同，仍為900mm。兩根錨索相距巷道上、下幫的距離分別為1 400mm、800mm，兩根錨索之間相距1 600mm.槽鋼的規格為12號，錨索的規格為ф15.24mm×6 300mm.

⑵加強工作面側巷幫支護：在沿空留巷中，加強工作面側巷幫的支護十分重要。在實體煤巷道，兩幫的支護條件是相同的，支護的作用和效果也是相同的。但在沿空留巷中，由于巷道的另一側是采空區，巷道頂板成了一端無支撐的懸伸的頂板。此時，實體煤側巷幫的受力會更大，巷幫的變形破壞深度會更深，變形破壞的范圍會更大，頂板的沉降也就會更大，頂板發生離層和破壞的可能性也就更大。在這種情況下，除了頂板支護以外，對頂板的支護和控制作用主要依賴于實體煤側的巷幫支護。所以要在提高巷幫錨桿支護強度的同時，增加錨桿的錨固深度。工作面側巷幫加強支護，采用錨桿配合扁鋼。在巷幫中部布置兩根錨桿，扁鋼沿巷道縱向鋪設，并相互搭接。每個支護剖面內布置的兩根錨桿之間的間距為700mm，巷幫的加強錨桿的棚距亦與原支護棚距相同，仍為900mm。錨桿穿過扁鋼上的錨桿孔垂直錨入巷幫媒體中。錨桿的規格為ф20mm×2 500mm，扁鋼規格為2 100mm×200mm×3mm。

⑶增加頂板巖層的控制高度：巷道的安全威脅來自于巷道頂板巖層的可能的斷裂和垮冒。頂板斷裂和垮冒的高度與頂板巖性結構有關，與回采面的采厚有關，與采空區頂板的冒落高度和充填狀況有關。不過，這些因素都已經是確定了的，是不能改變的客觀條件。在第一次支護施工時，錨索的錨固深度不到4m。而如果適當加長錨索的錨固深度后，將會有利于增加頂板的安全性。因為如果直接頂的厚度大于4m，且在留巷期間發生離層斷裂時，將會直接威脅到巷道的安全，所以需要增加錨索的錨固深度，使其大于巷道頂板可能的斷裂垮冒高度。

3.5 采用沿空留巷技術后效果分析

原有支護形式下沿空留巷頂底板移近量最大為1 900mm，平均為1 200mm。由于受到礦壓影響，發生底鼓。

加強支護后巷道兩幫移近量最大為300mm，以上幫移動為主。巷道寬度完全能滿足通風、行人和出煤的需要。回采期間巷道基本穩定，頂底板移近和兩幫移近量不明顯。

采用沿空留巷技術多回收煤炭資源40 000 t，創收800萬元，而加強支護的費用是410萬元，增加經濟效益390萬元。

4 結論

1404沿空留巷成功的支護，保證了巷道的穩定性，有效地緩解了煤礦采掘接續緊張的局面。沿空留巷的成功，為工作面實現“Y”型通風創造了條件，解決了上隅角一氧化碳積聚問題，提高了礦井的安全性。沿空留巷的成功提高了采區回采率，同時取得了明顯的經濟效益。

[1] 華新祝.我國沿空留巷支護技術發展現狀及改進建議[J].煤炭科學技術，2006，(2).

[2] 李琰慶，李志紅.沿空巷圍巖失穩機理與控制技術[J].煤礦支護，2010，(8).

[3] 張建斌.“Y”型通風方式沿空留巷技術與綜合瓦斯治理措施的應用[J].山西煤炭，2010,(10).