沿空留巷現場施工關鍵技術的研究與應用

張士鈺，張良飛，仲曉偉

(1. 西山煤電集團有限責任公司 官地礦，山西 太原 030053； 2. 太原科技大學 安全工程學院，山西 太原 030024；3. 西山煤電集團有限責任公司 屯蘭礦，山西 太原 030206)

傳統的高瓦斯礦井綜采工作面布置為 “一面三巷”(皮帶順槽、軌道順槽、回風順槽)，采用“U+L”通風系統。該布置方式存在噸煤掘進率較高、獨頭尾巷及保護煤柱損失等問題。根據山西焦煤集團公司“逐步取消自然發火傾向煤層采煤工作面排瓦斯尾巷”的瓦斯治理思路，結合礦井地質開采條件，研究應用無煤柱沿空留巷技術，采用Y型通風方式，對緩解礦井采掘抽銜接緊張局面，提高資源回收率，降低噸煤成本，實現礦井安全高效可持續發展具有重要意義。

1 技術優勢

1) 降低高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井瓦斯治理難度。傳統“U+L”型通風方式通過排瓦斯橫貫排放瓦斯，誘發了采空區瓦斯大量涌出，同時形成高瓦斯區域(上隅角至排瓦斯橫貫段)。Y型通風系統將改變采空區瓦斯運行線路，充填墻體實現了對采空區的隔離，消除了上隅角至排瓦斯橫貫段以及尾巷瓦斯超限的隱患。

2) 緩解礦井抽掘采銜接緊張局面。采用“U+L”型通風方式的礦井，萬噸掘進率較高。沿空留巷無煤柱開采工藝大幅度減少巷道掘進工程量，使沿空巷道復用為下一個工作面順槽，有利于提前構成工作面，為瓦斯抽采提供更加充裕的時間和空間，在很大程度上緩解采、掘、抽銜接緊張問題。

3) 延長礦井服務年限。取消相鄰工作面保護煤柱后，采區煤炭資源回收率大幅度提高，礦井的服務年限將明顯延長。

2 沿空留巷工作面概況

屯蘭礦是山西焦煤集團有限責任公司所屬的一座特大型現代化礦井，屬煤與瓦斯突出礦井。2016年瓦斯等級鑒定結果：礦井絕對瓦斯涌出量為196.4 m3/min，相對瓦斯涌出量為23.1 m3/t. 沿空留巷工作面18205位于南二盤區(下組煤)，可采走向長度1 351 m，切眼長度211 m，開采8#煤，煤層平均厚度3.3 m，可采儲量117萬t. 工作面 “借用”下接面18207軌道順槽及切眼，三巷平行布置，皮帶順槽及軌道順槽進風，沿空留巷及借用巷道回風。

順槽斷面為矩形，均采用全錨支護方式支護。皮帶順槽(機軌合一)凈高3.5 m，凈寬5 m，斷面17.5 m2. 軌道順槽為沿空留巷巷道，凈高3.5 m，凈寬5.5 m，斷面19.25 m2. 切眼凈高3.3 m，凈寬7.5 m. 沿空留巷充填循環進度為2.4 m，寬度2.5 m(充填體占順槽寬度0.9 m、采空區寬度1.6 m). 工作面采高3.3 m、循環進度0.8 m. 主要工序：運料、割煤、充填空間維護、空間布置、墻體充填、噴漿接頂、巷道維護。采煤機型號為MG400/920-WD、刮板輸送機型號為SGZ-880/800、液壓支架型號為ZY5600/20/42(137臺)、巷旁充填液壓支架型號為ZMC15000/25/42(1臺)、ZMC13600/25/42(1臺)。充填泵型號為BSM1002E，充填泵技術參數：最大輸送壓力10 MPa、理論最大排量20 m3/h、料斗容積220 L、攪拌機排量15 L、電機功率75 kW.

3 現場施工關鍵技術

3.1 大斷面巷道施工技術

3.1.1大斷面巷道支護技術

工作面兩順槽均屬大斷面巷道(皮帶順槽斷面為5 m×3.5 m、軌道順槽斷面為5.5 m×3.5 m)，傳統的支護技術滿足不了大斷面巷道支護要求。結合煤層頂板巖性，采用二次成巷技術，在原4.5 m寬巷道的基礎上擴幫，同時采用角錨索補強的支護方式有效控制頂板，為工作面正常生產創造了條件。具體支護參數見圖1.

圖1 大斷面巷道支護示意圖

3.1.2靜態破碎拉底技術

8#煤煤層厚為2.3～3.74 m，平均厚度為3.3 m，而沿空留巷要求軌道順槽最低高度為3.5 m、回風巷道高度為3.7 m，工作面順槽大部分高度不夠。在掘進機難以直接截割而爆破施工又影響瓦斯抽采系統的條件下，采用二次成巷的方法(即巷道沿煤層施工完畢后進行拉底)施工。引進HSCA型高效無聲靜態破碎劑，順利完成了5 000 m的巷道拉底工程。

3.2 墻體補強技術

由于充填料粒徑影響了充填墻體的強度，頂板來壓后將會破壞墻體的整體結構，結合充填模板支架空間、礦井運輸條件，采取了墻體補強措施。充填前在充填空間內架設3片鋼筋網并用d16 mm鋼筋縱向聯接，增加了墻體的整體強度。墻體內部補強見圖2.

圖2 充填墻體內部補強示意圖

新舊墻體膠結強度較小，容易造成墻體之間裂縫，為了防止新舊墻體因底板不平整或受力不均勻產生縫隙，導致采空區瓦斯泄漏，在上一充填墻體正中均勻預埋兩排(6根)L型d20 mm×2 000 mm的圓鋼，每排3根、排距0.6 m、最上一根距頂板約1 m、L型圓鋼角度為120°；下一墻體充填前將其外露部分拉直,用于減少相鄰兩充填體的相對位移，避免裂縫的產生。

3.3 超前角度錨索支護

沿空留巷上覆巖層為懸臂結構，工作面回采后重新分布的壓力將導致墻體受力集中。根據充填墻體上覆巖層及墻體的受力特征，為防止墻體因應力集中而破壞變形，設計了加長角度錨索，錨索規格：d17.8 mm×8 500 mm,與頂板夾角為60°，間距2.0 m. 將墻體上覆巖層固定在深部穩定的巖層中，減少上覆巖層對墻體的破壞。超前角度錨索設計見圖3.

圖3 超前角度錨索支護示意圖

3.4 墻體堵漏技術

由于墻體接頂不良、舊墻體正面的雙抗PVC布未扯凈、充填處墻體底板不平、浮煤未清理徹底等原因，均可導致新舊墻體搭接處裂縫，采空區瓦斯將會沿裂縫擴散至回風巷內造成瓦斯超限。

3.4.1方案設計

根據瓦斯泄漏位置及分布情況，確定墻體主要裂縫為上部頂板、噴漿接頂處以及充填墻體上半部。為避免有機注漿材料注漿過程中反映溫度過度引燃高濃度瓦斯，采用黏接力強、流動性好、膨脹系數高的無機注漿材料進行堵漏。

3.4.2注漿主要設備與材料

1) 氣動高壓雙液注漿泵(型號ZBQ-5/12型)。

2) MQT-120氣動錨桿鉆機。

3) 自制注漿錨桿。

4) 粉煤灰、速凝固化劑。新型速凝固化劑庫爾拜作為封堵材料進行充填加固，初凝時間為30～40 min，抗壓強度大于5 MPa，膨脹系數3%～5%，材料配比：粉煤灰∶固化劑=1∶2.

3.4.3注漿加固工藝

標孔→鉆孔→檢查鉆孔質量→安裝注漿管及封孔部件→封孔→準備漿液→開泵注漿→凝固→檢查注漿質量→驗收。

3.4.4注漿孔的設計

從頂板向下500～600 mm定開孔，傾斜30°向采空區施工注漿孔，穿過墻體、噴漿層以及破碎頂板，孔深1.7 m，外露0.3 m，間距1.0 m. 鉆孔布置見圖4.

3.4.5效果分析

留巷墻體與頂板及墻體與墻體結合處經過加固后，瓦斯涌出量顯著減小，瓦斯濃度由3%降至0.5%，能夠保證工作面正常回采。

3.5 超重超高超長模板支架安裝技術

沿空留巷核心設備為側模板支架、后模板支架及YZM1880/26/40型液壓模板。側模板支架單臺重量79.2 t，不可拆分最大單件重量達16 t，該支架高度為2.5～4.2 m，支架最大長度11.5 m. 而副斜井JK-2.5提升機最大載荷為20 t，且井下5 m以上為超長運輸，無法滿足支架整體下井安裝要求。因此，必須選擇地面解體，井下安裝的方式。

針對井下安裝存在的兩個問題：1) 支架組裝時的吊裝問題。2) 支架組裝后從吊裝硐室沿5°坡提升至切眼安裝位置期間的運輸難題。根據模板支架的外形尺寸，在軌道順槽切眼后部施工模板支架安裝硐室，硐室內安設風動提升機支架解決組裝難題。

風動提升機型號為JDN-20，最大載荷20 t，最大安裝高度1 140 mm，結構緊湊，性能穩定，提升安全系數高，動力源采用礦井壓風系統，配合450 A型H型鋼為吊裝梁，在凈高5.5 m吊裝硐室內完全滿足吊裝所需技術參數。模板支架硐室設計見圖5.

圖5 模板支架硐室平剖面圖

3.6 充填料連續運輸工藝

針對充填料運輸任務量大、運輸環節多的特點，工作面軌道順槽及采區軌道大巷內均采用了以無極繩連續牽引車代替調度絞車的運輸方案，成立了專門運輸組，在拌料機外設計了專用車場，規定了所有作業人員繞行集中膠帶巷的制度，形成了專職人員專線連續運輸的格局，消除了輔助運輸制約正常生產的“瓶頸”。

4 經濟效益分析

工作面可采長度1 351 m，工作面長211 m，煤層總厚3.3 m，可采儲量117萬t. 按日產4 000 t計算，日推進4.8 m，可采期270天。

4.1 沿空留巷工作面節省費用

1) Y型通風與U+L型通風相比，少施工回風順槽，沿空所留巷道二次復用，服務于下一個工作面，其節約巷道及橫貫成本：

M1=L1×m1+L2×m2=1 400×0.37+540×0.15=599 (萬元)

式中：

L1—巷道長度，m，取1400(含準備巷)；

m1—施工巷道每米掘進進尺成本，萬元/m，煤巷取0.37；

L2—橫貫長度，取m；

m2—施工橫貫每米掘進進尺成本，萬元/m，煤巷取0.15.

2) 減少了橫貫密閉工作量，節省成本：M2=a×

m=27×2=54(萬元)。

3) 多回收煤柱(12萬t)的收益：M=12×600=7 200(萬元)。

以上各種節省費用與收益合計7 853萬元。

4.2 沿空留巷投入

1) 充填墻體材料成本(14.9元/t)：14.9×117=1 746萬元。

2) 充填泵等特殊設備和管路增加安裝費用：10萬元。

3) 耗電費用：充填泵功率為75 kW，螺旋輸送機功率為5 kW，無極繩絞車功率為130 kW，預計每天充填、運輸4 h，則運輸及充填施工耗電為840 kWh. 按每工作面生產270天計，充填施工相關耗電總量為22.68萬kWh，按電費0.55元/kWh計，耗電總費用約12萬元。

4) 增加的巷道維護費用：沿空留巷復用每米維護費用為450元，需投入費用60萬元。

5) 人工費用：一支專業隊伍用于運輸、充填、維護，而施工回風順槽同樣需要一支掘進隊伍及輔助隊伍，因此人工費用基本抵消。

工作面增加的費用合計1 828萬元。

綜上所述，采用沿空留巷增加的效益為6 025萬元。

通過對多個使用沿空留巷工作面費用分析得知：快速沿空留巷工作面噸煤成本平均增加20元，與節約的巷道施工、維護費用大體相當，回收煤柱收益基本上為項目實施的經濟效益。

5 結 語

盡管沿空留巷快速充填技術在屯蘭礦已經取得成功，但仍有一些問題需要逐步解決。需對充填墻體二次采動影響下受力情況進行深入研究，充填接頂、讓壓技術尚需進一步優化，充填墻體受損泄漏瓦斯的隱患仍然存在。隨著切頂卸壓沿空成巷技術的不斷應用，并與沿空留巷快速充填技術有機結合，充填墻體強度及寬度要求適當降低，充填工藝對工作面產量制約將減小，噸煤成本將逐步降低，沿空留巷Y型通風技術將逐步完善。