10414 工作面沿空留巷充填液壓支架設計實踐

呂 龍

（安徽省礦業機電裝備有限責任公司，安徽 淮北 235000）

淮北礦業集團楊柳煤礦10414 工作面地質條件復雜，沿空留巷技術成功應用案例較少，針對這一情況，安徽省礦業機電裝備有限責任公司受邀承擔該煤礦10414 工作面沿空留巷充填液壓支架的設計與研究工作[1-6]。

1 工程概況

楊柳煤礦位于安徽省淮北市孫疃鎮楊柳村，為淮北礦業集團生產型礦井，礦井南北走向長9 km，東西走向寬3.2～9 km，礦井可采儲量140 Mt，主采10#煤層，為高瓦斯突出礦井，設計產能1.8 Mt/a。10414工作面位于104 采區東翼，埋深485 m，工作面走向長2100 m，傾斜長180 m；煤層厚度為1.95～4.25 m，平均厚度為2.93 m；工作面傾角1°～7°，平均傾角4°。直接頂是厚度為5.77 m 的灰黑色砂質泥巖及泥巖，植物化石發育；基本頂是厚度為2.59 m 的中粒粉砂巖，灰黑色，中厚層狀，均勻層理；直接底是厚度為3.01 m 的砂質泥巖和泥巖；老底是厚度為4.02 m 的深灰色中粒細砂巖，含淺白色團塊狀結核，平均厚度3. 94 m。

10414 工作面進風巷斷面為矩形，掘進寬度為5200 mm，掘進高度為3000 mm，錨網索聯合支護。10414 工作面進風巷斷面為矩形，掘進寬度為4800 mm，掘進高度為3000 mm，錨網索聯合支護。根據煤層賦存條件，10414 工作面采用單一傾斜長壁后退式綜合機械化充填開采的采煤方法。

10414 工作面埋深大、為高瓦斯突出礦井、松軟破碎頂底板，因此工作面沿空留巷的技術難度非常大，必須制定針對性的措施。

2 沿空留巷支護系統及關鍵技術分析

2.1 沿空留巷的影響因素分析

（1）沿空留巷的施工情況受埋深和煤層厚度的影響。10414 工作面埋深為485 m，開采的10#煤平均煤厚為2.93 m，為大埋深中厚煤層巷道，沿空留巷的施工作業較容易，施工成本合理，效果易保證。

（2）沿空留巷的成功與否受直接頂厚度及其巖性的影響。10414 工作面直接頂厚度為5.77 m，直接頂厚度較小，垮落時容易造成上覆巖層破斷，巷道圍巖及充填墻體變形情況無法控制，變形量會較大，必須在留巷過程中進行嚴格控制。基于10414工作面直接頂巖性的砂質泥巖及泥巖特性，針對性地對巷道進行補強措施。

（3）沿空留巷的成功與否受工作面傾角的影響。10414 工作面平均傾角4°，這對沿空留巷工藝的實施沒有影響，但是采空區冒落矸石易飛濺到充填支架，必須制定相應的防范措施。

2.2 沿空留巷支護系統

10414 工作面沿空留巷支護系統如圖1，主要包括巷內支護、巷旁支護、待充填區域支護、采空區支護和其他輔助設施。

圖1 10414 工作面沿空留巷支護系統構成示意圖

2.3 巷道補強支護

10414 工作面回風巷在掘進前沒有考慮到沿空留巷問題，兩幫為點錨桿支護，強度低，巷道兩幫底鼓無法有效控制，變形量會較大，必須對巷道兩幫和頂底板進行補強支護，實現對巷道圍巖變形的有效控制，實現留巷復用。

補強支護措施：頂板每隔2 排錨桿打1 根Φ21.6 mm×6300 mm 錨索鋼絞線。兩幫為錨桿+錨索加強支護，距底板超過 300 mm 時補打1 根Φ20 mm×2400 mm 錨桿，配合Φ16 mm 圓鋼焊制的鋼筋梯子梁，長度4800 mm；兩幫每隔2 排錨桿打1 排2 根Φ21.6 mm×6300 mm 錨索鋼絞線。煤柱側補打1 根Φ21.6 mm×5200 mm 錨索鋼絞線，實體煤側補打1 根Φ21.6 mm×4200 mm 錨索鋼絞線，配合Φ16 mm 圓鋼焊制的鋼筋梯子梁，長度4800 mm。

2.4 充填墻體構筑

基于10414 工作面地質實況，沿空留巷充填材料選擇高水速凝固化充填材料，具有支護強度高、速凝早強、密閉性好的特點。

經計算，10414 工作面沿空留巷充填體寬度確定為1.61 m，但是基于回風巷頂板巖層的實況，確定沿空留巷充填體寬度為2.0 m，充填體高度為3 m。同時采用對拉錨桿+鋼帶對充填墻體進行加固，對拉錨桿選用Φ21.6 mm+335 MPa 螺紋鋼兩端滾絲100 mm。

2.5 充填液壓支架及支護系統設計

10414 工作面回風端頭沿空留巷充填液壓支架組進行支護。主要包括有：過渡支架選用ZCG7600/20/40D 支撐式膏體充填液壓支架，有擋矸支架A 為ZCG7600/20/40AD 型支架，有擋矸支架B 為ZCG7600/20/40BD 型支架。該充填液壓支架組合支護強度高，可以實現自行前移，并能對采空區矸石進行隔離，安全性較高。

2.5.1 充填液壓支架空間布置

10414 工作面沿空留巷充填支架設備布置情況如圖2。由圖2 可知，機尾1～5 架布置為充填過渡支架，從機尾第6 架起布置中部支架；擋矸支架A布置在充填墻體下側，擋矸支架B 布置在充填采空區下側；擋矸支架B 跟隨前部充填過渡支架進行實時的同步移動，而擋矸支架A 需要等待充填墻體施工且完全凝固后才能夠進行移動。

圖2 沿空留巷充填支架設備布置示意圖（mm）

2.5.2 充填液壓支架技術參數

10414 工作面沿空留巷充填過渡支架和中部支架均選用ZCG7600/20/40D 支撐式膏體充填液壓支架，技術參數：工作阻力為7600 kN，高度2.0～4.0 m，中心距1.5 m，支護強度為0.94 MPa。

充填過渡支架和中部支架均采用整體頂梁+伸縮梁+一級護幫的形式，并設置有可翻轉護幫板，如圖3 所示。翻轉護板中間設置有600 mm×450 mm 大小的孔，相鄰護板間距450 mm。該設計可以保證錨桿和錨索施工作業的安全性，同時便于實現架前鋪網施工作業。

圖3 可翻轉護板結構示意圖（mm）

擋矸支架A 和擋矸支架B 的技術參數與ZCG7600/20/40D 液壓支架技術參數基本一致。

2.5.3 充填工藝

10414 工作面沿空留巷充填工藝為：采煤機割煤→推溜→機尾第2～3 架前鋪設柔性頂網→拉架→機尾第1 架后，打單體；第2～3 架后打錨桿+錨索→充填→采煤機割煤。

3 效果分析

3.1 試驗效果分析

（1）10414 工作面沿空留巷液壓支架與巷旁充填墻體寬度設計較為合理，巷旁充填墻體強度與沿空留巷液壓支架可較好地實現匹配，巷旁充填墻體強度能夠承受初次來壓和周期來壓強度。礦壓觀測數據表明：巷道頂底板最大移近量為160 mm，巷道兩幫最大移近量為128 mm，巷道頂底板及兩幫變形量小，巷道圍巖變形控制較好，留巷效果理想。

（2）10414 工作面“Y”型通風系統的應用，有效地消除和解決了10414 工作面上隅角及回風流中瓦斯超限的安全隱患；“Y”型通風系統的設計還使得10414 工作面不需要設計瓦斯抽采巷，大幅度降低了工作面掘進作業工程量，經濟效益顯著。

（3）10414 工作面沿空留巷技術的設計，實現了工作面無煤柱開采，完全取消了區段煤柱的設計。10414 工作面煤炭資源的采出率從64.5%提高至84.6%，采出率提高了20.1%，節約了煤炭資源，經濟效益顯著。

3.2 充填液壓支架使用分析

ZCG7600/20/40D 支撐式膏體充填液壓支架的應用滿足了10414 工作面沿空留巷工藝的要求，有效地減輕了工作人員的勞動強度，減少了液壓支架崗位人員的數量，節約了人力成本，安全經濟效益顯著。

4 結語

淮北礦業集團楊柳煤礦10414 工作面地質條件復雜，主要表現為埋深較大、高瓦斯、破碎松軟頂底板。針對復雜地質條件巷道的沿空留巷，進行了充填液壓支架的設計與研究。從沿空留巷施工影響因素出發，設計了充填液壓支架支護系統組成、空間布置情況。礦壓觀測數據表明：巷道頂底板最大移近量為160 mm，巷道兩幫最大移近量為128 mm，巷道頂底板及兩幫變形量小，巷道圍巖變形控制較好，留巷效果理想。10414 工作面沿空留巷技術的成功應用，有效提高了該煤礦煤炭資源回收率，減少巷道掘進工程量，為復雜地質條件沿空留巷技術的應用提供了案例支持。