薄煤層硬頂軟底沿空留巷技術研究與應用

馬啟廷 陳道志 謝文武

（1.滕州郭莊礦業有限責任公司，山東 滕州 277500；2.山東科技大學礦業與安全工程學院，山東 青島 266590）

在我國煤礦開采中留設的區段煤柱大多被遺棄，造成煤炭資源的損失。再加上區段巷道的開掘、準備和維修費用增加了開采成本。因此，研究區段間不留煤柱，可提高煤炭回收率，對實現礦井高效生產和可持續發展具有重要的意義[1]。很多學者對不同開采條件下薄煤層沿空留巷進行了研究[2]，為錦丘煤礦薄煤層沿空留巷提供了理論和技術上的依據。錦丘煤礦在堅硬灰巖頂板和泥巖底板情況下應用沿空留巷技術，少掘一條回采巷道，降低掘進率，減少掘進排矸量，達到了薄煤層安全高效開采的目的。

1 工作面地質概況

錦丘煤礦16111工作面為薄煤層工作面，平均煤厚1.18m，煤層結構簡單，傾角0～5°。煤層直接頂為十下灰巖，厚度為3.20～6.7m，平均厚度4.60m，上部有一層泥巖，厚度為1.30～1.50m，平均厚度為1.40m。直接底為砂質泥巖，厚度0.65～6.6m，平均厚度為3.2m。

2 留巷方案設計

沿空留巷巷內采用工字鋼架棚支護，如圖1所示。工字鋼棚頂梁長度為2.3m，棚腿高度為2.2m，棚腿扎角75～85°，棚距1.2m。架棚前，必須把巷道的頂、幫找實，以確保架棚期間的安全。架棚時，棚梁上要用木料接嚴接實，其厚度不得小于0.1m，棚腿底端必須加工底座，且必須埋到實底。巷旁每隔1.2m支設一長1.2m、寬1.2m、高與工作面機尾采高等高的木垛，木垛上加木板枇，接實頂板，在兩木垛間隙用連續木點柱支撐頂板，木點柱要求有一定強度以免強度過低起不到支撐頂板的作用，木點柱直徑保證在16mm。

圖1 巷內架棚支護斷面

3 沿空留巷圍巖運動數值模擬研究

掌握沿空留巷覆巖的運動規律，可以有效控制沿空留巷圍巖穩定性[3]。錦丘煤礦通過數值模擬的方法分析了沿空留巷覆巖的運動規律和巷道支護的效果。

3.1 模型的建立

以錦丘煤礦16111工作面運輸巷道為工程條件，建立薄煤層沿空留巷數值模擬模型。

模型x軸方向的長度為180m，工作面長度120m，y軸方向的長度為80m，z軸方向的高度為50m，煤巖層看作水平，煤層平均厚度1.2m，煤層平均埋深500m。

3.2 巷道圍巖應力變化

通過數值模擬分析工作面開挖20～60m圍巖塑性區。煤層未開采時巷道兩幫的煤體產生部分塑性破壞，這是巷道受掘進的采動影響。工作面推過20m后，巷旁木垛部分和木垛外側頂板處受到的采動影響較嚴重，這是由于煤層采出后，采空區上方頂板向下運動造成的。工作面推過20～60m之間，巷道底板和煤體的塑性破壞較為嚴重，但木垛巷道一側支承應力低于采空區一側。工作面推過60m后，巷道受影響程度已經大大降低，說明工作面推過一定距離后，煤體的應力狀態已經基本不受前方采動的影響。

3.3 沿空留巷巷旁木垛中心距確定

巷旁支護參數模擬不同巷旁木垛中心距情況下巷道應力和變形，監測點設置同上文一致。模擬方案為：方案一：巷旁木垛中心距4.8m；方案二：巷旁木垛中心距3.6m；方案三：巷旁木垛中心距2.4m。

（1）巷道圍巖應力狀態變化

對三種方案的巷道圍巖塑性區狀態進行分析，可以得出：從木垛采空區側上方頂板的應力狀態 變化來看，方案三的切頂能力最強，其次為方案二，最差的是方案一，隨著巷旁木垛中心距的減小木垛切頂能力會增強，且底板破壞會減小。

（2） 沿空巷道兩幫應力分布

沿空巷道的煤體與木垛兩幫承受垂直應力的分布情況見表1所示。

表1 沿空留巷兩幫垂直應力分布

由表1可以看出，木垛側的支承壓力遠大于煤體側的支承壓力，木垛中心距越小，承受垂直壓力越大，木垛側應力集中系數越高，相對應的煤體承受垂直應力卻降低。所以，減小木垛中心距有利于減小巷道煤幫的壓力和變形。

（3）巷道頂板移近

圖2 木垛側巷道頂板垂直位移

圖3 煤體側巷道頂板垂直位移

從圖2、圖3可以看出，頂板下沉以方案一最大，方案三最小，隨著木垛中心距的減小，巷道的頂板沉降量會減小。

綜上，方案一不能滿足安全生產的要求；方案三對巷道圍巖的控制效果優于方案二，故選用方案三，也就是用木垛中心距為2.4m作為巷旁支護體進行沿空留巷。

4 沿空留巷工程實踐

4.1 試驗基本情況

錦丘煤礦在16層煤16111膠帶巷軟底石灰巖頂板試驗沿空留巷。沿空留巷的巷道巷內采用工字鋼梯形架棚支護，巷旁采用木垛支護，木垛間距2.4m，留巷高度滿足留巷要求，有效地控制了巷道圍巖的變形，試驗取得了成功。

4.2 經濟效益分析

沿空留巷不但可以解決錦丘煤礦采掘接替緊張的局面，降低工人工作強度，避免留煤柱造成應力集中等問題，同時為企業節約了大量資金，創造了巨大的經濟效益。

采用沿空留巷可少掘進巷道790m，節約掘進費129.8萬元，同時多采出煤炭11954.28t，留一條巷道直接經濟效益是854萬元。

5 結語

實踐表明，與留煤柱護巷相比較，沿空留巷在技術上和經濟上都具有很大的優越性，主要表現在：

（1）沿空留巷可以實現無煤柱開采，因而比留煤柱更能提高回采率。在錦丘煤礦沿空留巷與留煤柱護巷相比，一般可使采區回采率提高7.6～15%。

（2）沿空留巷可以較大降低掘進率，縮短采區的準備時間，在錦丘煤礦，沿空留巷一般可使采區巷道的掘進率降低25～30%。

（3）由于沿空留巷處于固定支承壓力的免壓圈內，巷道維護狀況可以得到改善，降低了錦丘煤礦的巷道維護費用。此外，由于徹底取消了煤柱，對改善近距離煤層的巷道維護十分有利。

（4）沿空留巷與沿空掘巷相比，不需要滯后掘進，工作面可及時接替，保證生產順利進行。因此，沿空留巷的經濟效益是顯著的。

另外，通過16111工作面膠帶巷留巷過程看，該采區頂板屬堅硬頂板，同時地質條件較復雜，斷層較多，在以后的留巷過程中應適當縮小木垛中心距以加大切頂強度，同時加強礦壓監測，預報頂板來壓，并確定強化支護范圍。