軟弱頂底板煤層無巷旁充填沿空留巷技術研究與應用

摘要：針對百色煤田具體工程地質條件，根據沿空留巷巷道圍巖的受力特點，提出了煤礦軟弱頂、底板條件下的無巷旁充填沿空留巷技術方法，設計和應用了“錨桿+H型鋼帶+錨索+菱形金屬網”與“半梁單柱錨棚支護結構”，為提高煤炭資源的回收率，延長礦井服務年限探索了有效的方法。

關鍵詞：軟巖 無巷旁充填 沿空留巷

1、引言

沿空留巷技術具有可有效降低巷道掘進量、大幅度減少煤柱留設、快速降低生產成本及增加生產連續性等顯著優點，成為了各大礦區提高資源采出率的重要技術手段。在煤炭資源相對匱乏的南方煤礦提高煤炭回采率更是具有十分重要的意義。國內外學者主要在留巷位置上覆巖層移動規律、巷旁工作阻力、巷內支護及巷旁支護等方面進行了較為深入的研究，取得了諸多成果。

作者根據百色礦區實際情況，針對沿空巷道復雜應力環境，系統地研究了爆破預裂切頂技術，提出了綜采工作面切頂沿空留巷技術，采用了“錨桿+H型鋼帶+錨索+菱形金屬網”與“半梁單柱錨棚支護結構”的支護形式，實現了以預應力長錨索為二次支護型式的綜合控制技術，改善了沿空巷道的圍巖應力環境。

2、程概況

百色百礦集團有限公司東懷煤礦25D04工作面是五采區D煤第四個采煤工作面，工作面位于二水平南側，東至工作面25D05采空區，西至25D03未采工作面，南至F4斷層，北至五采區三條下山由南向北依次D煤層皮帶下山、C煤層行人下山、D煤層軌道下山。煤層約1.6～2.0米，結構復雜，中上部夾一層炭質泥巖或泥巖，厚約1米左右。煤層走向NE20---NW70°，傾向NE，傾角6-13°，平均為9°。工作面傾斜長度為150米，走向長度為1180米。巷道布置如圖1所示：

煤層頂板及偽頂易脫落，直接底遇水變軟，頂底板情況見表1。

3、沿空留巷頂板活動規律及以往沿空留巷方法

3.1 前人對沿空留巷頂板活動規律的研究

錢鳴高等[1]提出了采場上覆巖層的“砌體梁”結構力學模型、“關鍵層”理論等，詳細闡述了覆巖中的厚硬巖層所承受的載荷及變形破壞規律。宋振騏[2]提出了“傳遞巖梁”力學模型，認為破斷巖梁始終能向煤壁前方及采空區矸石傳遞作用力，支架與巖梁間的相互作用存在“給定變形”和“限定變形”2種工作方式。

孫恒虎等[3]通過相似材料模擬試驗探究了沿空留巷圍巖活動的前期和后期規律，提出了前期支護以“頂”為主、后期支護以“讓”為主的圍巖控制理念。

3.2 以往采用的沿空留巷方法及存在的問題

巷內支護技術：金屬棚架支護或木棚被動支護。該種支護較為被動，支護強度低，所需材料較多，支護體破壞較嚴重，后期維護工作量較大。而單純的錨桿支護無法控制頂板冒落區矸石竄入巷道內。使用順巷道方向的縱向棚架時，由于軟弱頂板沿棚架切頂后需保留的頂板容易風化破碎，導致支護體失去支撐點而支護失效。

巷旁支護技術：采用木垛、密集支柱、矸石帶、人造砌塊、高水速凝材料、膏體材料等材料沿需留巷旁側構筑支護體，達到切斷不需支護的頂板、支撐留巷頂板、隔離采空區碎石，從而保留需使用的巷道。該支護方式基本也是被動支護，雖然可獲得較大的支撐力，但工藝較復雜，成本高，工效低，往往趕不上綜合采煤的速度。

4、無巷旁充填沿空留巷技術方法

4.1 技術原理及要求

本技術針對沿空留巷頂板活動規律，一方面要盡量減小老頂對留巷頂板的壓力；另一方面，要使支護體有足夠的初撐力對頂板進行主動支護，維護頂板的完整性；第三方面，要有一定的讓壓，從而發揮頂板和邊幫煤體自身的支撐力；第四方面，還要對冒落區矸石有效隔阻，保存留巷足夠的使用空間。

4.2爆破預裂切頂技術

爆破預裂切頂卸壓目的是頂板老頂來壓之前盡可能充填滿巷道采空區和切斷巷道頂板與采空區頂板的聯系，避免采空區頂板老頂來壓時出現強力沖擊和頂板扭曲變形下沉聯動破壞留巷頂板。切頂卸壓沿空留巷力學機理是通過預裂爆破后的預裂弱面改變了沿空巷道上覆懸伸頂板巖體的結構，引起巖層移動規律發生相應的改變；在采場頂板周期來壓作用下，懸伸巖層在上覆壓力擠壓下沿預裂面切落，極大消散了沿空巷道圍巖的應力集中程度，應力集中向巷道圍巖深部轉移，改善了沿空巷道的圍巖應力環境，減小了巷內支護的受力及巷旁支護的阻力和應力集中程度，最終提高了沿空巷道的穩定性。根據煤層地質條件，在軌道巷下幫邊緣布置炮眼，炮眼長度按4.0m和2.5m間距0.5m交替布置，4.0m炮眼使用400g炸藥，2.5m炮眼使用300g炸藥，切頂超前工作面至少20米以保證切頂效果。

4.3 以預應力長錨索錨桿與“半梁單柱錨棚支護結構”為二次支護型式的綜合控制技術

沿空巷道內頂板的完整性是沿空留巷成功的重要前提。在錨網支護的基礎上，結合錨索進行支護。錨網支護克服松動巖體的自重，強化錨固范圍內巖層承載能力，阻止圍巖的進一步松動，消除圍巖松散變形，提高支護能效；而錨索可以充分利用深部圍巖的強度和穩定性，增大錨固范圍，削弱頂板的剪切破壞作用，防止巷道頂板斷裂、冒落。在具體應用中，采用了“錨桿+H型鋼帶+錨索+菱形金屬網”與“半梁單柱錨棚支護結構”的支護形式支護形式，實現了以預應力長錨索為二次支護型式的綜合控制技術，達到了改善沿空巷道的圍巖應力環境的效果。具體支護斷見圖2所示。

“錨桿+H型鋼帶+錨索+菱形金屬網”與“半梁單柱錨棚支護結構”有機地結合，對沿空留巷懸臂頂板進行護頂，以兩節U型鋼通過夾箍連接做柱腿，既有一定的讓壓作用，也加強了對懸頂的支的作用，同時單腿對采空區側冒落頂板破碎巖塊進行阻擋，防止巖塊竄到留巷空間。橫向布置的頂梁增加支護體對保留頂板的支護面積，避免了軟弱頂板留頂邊緣破碎導致其下部支撐體失去支撐點的現象；以頂板錨桿固定頂梁的一端，有效控制了頂板與支護體的橫向相對位移，解決了軟弱頂板條件下沿空留巷懸臂頂梁的穩定性問題。

5、無巷旁充填沿空留巷技術方法的應用效果

5.1 沿空留巷斷面尺寸效果

巷道頂板最大下沉量70mm，個別地段巷道水引起底鼓出現頂底板移近量大，采取降底工作即可。兩幫平均移近量50mm。斷面平均收縮率9.7%，從匯總結果可以看出巷道表面變形量小，沿空留巷獲得成功。工作面后方20m范圍內，采空區側有單體柱支護，所以頂底板和兩幫移近量小，變化平緩；在工作面后方20～60m范圍內受到工作面周期來壓的影響，圍巖活動劇烈，頂底板兩幫移近量逐漸增大，移近速度較快，在45m處達到最大。在工作面60～100m范圍內，圍巖活動減輕，盡管頂底依然增加但速度很小；在工作面100m以后，圍巖穩定，變形也很穩定。

5.2 沿空留巷經濟效益

東懷煤礦25D04工作面首次采用了工作面切頂沿空留巷開采技術，減少的煤柱損失，提高了礦井的煤炭回收率，之前每個工作面間距要留30～40m保護煤柱。現可全部回收，回收率提高17%左右，同時也可延長了礦井的服務年限。符合現行資源節約型能源政策，達到了國內領先水平；相比于普通綜掘巷道，工作面切頂沿空留巷開采技術減少了巷道開掘工作量，每米減少企業支出14296.9元，僅25D04沿空留巷一條巷道就為企業節支1530萬元，產生了巨大的經濟效益。

5.3 無巷旁充填沿空留巷推廣應用情況

目前，該無巷旁充填沿空留巷技術開采方式已經在東懷煤礦和那荷煤礦全面推廣，累計產生經濟效益2300萬元以上。同時，無巷旁充填沿空留巷技術開采方式的成功應用，為回采工作面實現Y型通風方式，有效解決回采工作面高溫、瓦斯異常的安全問題提供了有力保障。從而使礦井實現了高產高效綠色開采和科學產能的理念。

6、結論

⑴使用爆破預裂切頂卸壓技術，使頂板的應力集中向巷道圍巖（煤體）深部轉移，改善了沿空巷道的圍巖應力環境，提高了沿空巷道頂板的穩定性。

⑵采用了“錨桿+H型鋼帶+錨索+菱形金屬網”與“半梁單柱錨棚支護結構”的支護形式支護形式的綜合控制技術，達到了改善沿空巷道的圍巖應力環境、保護留巷頂板完整性的效果。

參考文獻

[1]錢鳴高，繆協興，許家林.巖層控制中的關鍵層理論研究[J].煤炭學報，1996，21（3） ： 225-230.

[2]宋振騏.實用礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，1988.

[3]孫恒虎，吳健，邱運新.沿空留巷的礦壓規律及巖層控制[J].煤炭學報，1992，17（1） ： 15-23.

作者簡介

王翔（1975—）男，廣西靖西人，百色百礦集團有限公司，主要研究煤礦開采及安全技術。