新元煤礦沿空留巷安全開采技術實踐

李建光

(陽煤集團山西寧武榆樹坡煤業有限公司)

對于開采吸附性強、瓦斯含量大煤層的高瓦斯或突出礦井而言，一般采用先抽后采、邊采邊抽的瓦斯治理措施，然而開采致密、裂隙不發育煤層時，采動之前難以抽采瓦斯，采前預抽及U型通風不能有效解決隅角瓦斯積聚問題[1-3]。陽煤集團新元煤礦為煤與瓦斯突出礦井，目前主采3#煤層。生產期間為了解決掘進和瓦斯問題，原回采工作面一直采用“兩進兩回”的“U+L”通風系統，巷道之間的煤柱寬20 m，多條巷道布置造成區段煤柱損失嚴重，采出率低，且煤與瓦斯突出煤層掘進速度慢，采掘接替緊張[4]。因此，以新元煤礦3107工作面為工程背景，采用高水材料巷旁充填沿空留巷技術，對實現工作面Y型通風，避免隅角瓦斯超限和采空區通風問題及保證礦井接替、降低開采成本等具有重要的意義。

1 工程概況

3107工作面回采3#煤層，煤層傾角平均為5°，平均厚2.6 m。煤層偽頂為厚0.3 m高嶺石泥巖，直接頂為6.45 m厚砂質泥巖，老頂為5.7 m厚中粒砂巖，直接底為4.5 m厚砂質泥巖，老底為18.95 m中粒砂巖，局部含粉炭質條帶，3107工作面布置見圖1。

李建光(1974—)，男，董事長，工程師，036000 山西省寧武縣。

圖1 3107工作面布置

3107工作面回風巷道設計斷面為4.8 m×3.0 m(寬×高)，頂部采用錨網梁+錨索矩形斷面支護，頂錨桿采用φ22 mm×2 200 mm左旋無縱筋(KMG500)讓壓錨桿；幫錨桿采用φ20 mm×2 000 mm 等強錨桿，錨桿排距為700 mm；錨索采用φ22 mm×7 500 mm低松弛鋼絞線，錨索間距為1.5 m，排距為1.4 m，即錨索梁按照“3-0-3-0”方式施工，幫錨桿上鋼筋鋼帶加掛金屬網。巷道在沒有經受工作面超前壓力之前變形量較小，但隨著時間的推移，巷道變形逐漸加大，導致部分區域巷道頂底板幾近閉合，兩幫移近量也非常大，因此，巷道在留巷之前需進行補強支護處理。

2 巷旁支護寬度的確定

根據3107工作面生產地質條件、鄰近工作面開采情況、巖性和以往的巖層力學參數考慮，具體地質力學參數初步取值如下：煤層開采厚2.8 m，工作面長240 m，周期來壓步距為20 m，巷道最大埋深為550 m，基本頂平均厚2.5 m，直接頂平均厚5.66 m，留巷后巷道寬5.2 m，充填體寬2 m，上覆巖層容重為25 kN/m3，應力集中系數為2.0，基本頂巖層抗拉強度為8 MPa，側壓系數為0.4，煤層黏聚力為1.5 MPa，內摩擦角為25°，煤幫采用錨桿支護，其支護阻力按0.15 MPa考慮，煤層傾角按平均4°考慮。利用上述參數計算得到3107工作面回風巷充填體的切頂阻力為12.83 MN/m。現場施工時，充填體平均強度按8 MPa考慮，則所需的充填體寬度理論計算值為1.61 m。根據3107工作面回風巷頂板巖層情況、公式計算和以往的工程實踐，考慮安全系數、充填體完全置于采空區，當采高不超過3 m時，初步設計確定巷旁支護體寬度為2 m。

3 高水材料巷旁充填沿空留巷技術

3107工作面回風巷充填時間較緊，因此，不適合采用全袋式充填和混合式充填方法，經比較分析，最終確定采用分段阻隔注漿充填方法[5-7]。

3.1 充填工藝

綜合考慮井下施工條件、工作面超前支承應力的作用效果、漿液固結強度及材料消耗等因素，確定充填材料的水灰比為4∶1，初凝時間≤30 min，充填體終強1.46 MPa，7 d強度為終強的90%，充填寬2 m。3107工作面回風巷充填基本工藝流程見圖2，包括砌筑止漿墻，管路安放，配料制漿，泵送充填，帶壓充填。水灰比直接影響空巷充填材料的強度、凝結時間，現場施工時需嚴格按照設計要求加水。根據確定的水灰比4∶1，向攪拌桶內加入750 kg水；加水后，向1#攪拌桶加入150 kg甲料(3袋)，向3#攪拌桶加入150 kg乙料(3袋)，當1#、3#攪拌桶給充填泵供料漿時，2#、4#攪拌桶加水、上料，準備攪拌，在添加空巷充填材料的同時，啟動攪拌機，漿液攪拌均勻一般需要5 min；最后注漿充填并監控充填情況。

圖2 工作面巷旁充填工藝流程

3.2 泵站準備

充填泵站要求有適當的操作和存料空間。現場施工時，合理的泵站設置有利于提高充填效率。泵站應盡可能固定于一個位置，減少泵站移動次數及輔助運輸量。根據以上原則，建議將泵站布置在輔助進風順槽內。具體要求如下：配備1臺雙液充填泵，4臺攪拌桶(甲料、乙料各配2臺攪拌桶)、5個電磁啟動器(泵1臺，4臺攪拌桶對應4臺)，攪拌桶附近布置料場，充填泵及攪拌機等設備水平擺放；泵站堆料平臺應能放置2 d使用的注漿材料(約100 t)；泵站點設置3路供水管，其中2路直徑為32 mm，用于攪拌桶加水，供水能力不低于20 m3/h，且有單獨的控制開關，保證注漿工作連續進行,另一路用于注漿泵降溫，管徑為19 mm；靠近幫部挖掘沉淀池，規格為500 mm×500 mm，沉淀池內的廢水泵送至排水管內。

3.3 勞動組織

沿空留巷后工作面推進不會超過8 m/d，一天充填2班，每次充填長度為3～4 m，具體充填長度由工作面推進長度決定。充填作業安排見表1。

表1充填作業安排

4 加強支護設計

4.1 回風巷加強支護技術

由于留巷時間較長，為防止頂板離層，留巷斷面收縮過大，將原有的“3-0-3-0”的錨索支護形式變成“3-1-3-1”的錨索支護形式，即在原施工的2排錨索中間再施工一排錨索梁(每排1根錨索)，錨索規格為φ22 mm×7 500 mm。每根錨索在鋼帶外再安裝大托盤，預緊力不低于100 kN。非采煤側巷幫在幫角處距底板300mm處補打一根φ20 mm×2 400 mm錨桿；在煤柱側巷幫每2排錨桿補打一排錨索，每排2根，第一根距頂板800 mm，仰角為10°，第二根距頂板2 200 mm，錨索規格為φ22 mm×7 500 mm。回風巷加強支護見圖3。

圖3 回風巷加強支護示意(單位：mm)

4.2 充填區域上方頂板支護技術

為了保持充填區域范圍內的頂板完整性，在充填區上方每割1刀煤補打1排800 mm×800 mm錨桿，每2排錨桿間加打2根φ21.6 mm×6 300 mm錨索，錨索距巷中距離分別為3 500，4 700 mm，頂板錨桿采用φ20 mm×2 400 mm左旋無縱筋錨桿。支護布置見圖4。

5 沿空留巷Y型通風方式

3107工作面回風巷采用沿空留巷后可實現Y型通風[8]， 由現在的進風巷作為主要新鮮風流進風、現在的回風巷作為配風巷進部分新鮮風，經工作面后的污風通過沿空留巷保留下來的巷道經聯絡巷與3107尾巷溝通，形成Y型通風系統，再輔以其它措施治理瓦斯，可以從根本上解決高瓦斯采煤工作面上隅角瓦斯積聚和超限的難題。

圖4 充填區域上方頂板支護示意(單位：mm)

由于3107工作面底板較軟，屬軟弱圍巖，沿空留巷后，受側向支承應力強烈作用，沿空留巷后底鼓量大，全長留巷通風可能保證不了通風斷面。因此，決定采用Y型通風方式為離工作面后方最近的2個聯絡巷進行回風，即到下一個聯絡巷時，打開前一個聯絡巷、封閉最后邊一個聯絡巷進行通風，見圖5。

圖5 全長留巷時Y型通風方式示意

6 礦壓觀測

為了觀測3107回風巷支護參數的合理性，在巷道中每20～30 m設一個測站進行觀測，巷道表面收斂規律的測點布置一般采用十字布點法，觀測結果見圖6[9-11]。可知，工作面后方0～120 m為留巷采動影響階段，巷道頂底板累計變形量最大為1 035 mm，且主要以頂板下沉為主，兩幫累計最大變形量為1 931 mm，以實體煤幫變形為主。工作面后方130～240 m巷道斷面累計變形量最大，平均寬3 299 mm，最大寬3 714 mm，最小寬3 007 mm，兩幫移近量在1 086～1 793 mm，以實體煤變形為主；巷道平均高2153mm，最大高度為2 667 mm，最小高度為1 847 mm，頂底板變形以頂板劇烈下沉為主，下沉量在333～1 153 mm。此階段巷道斷面收斂率遠大于工作面后方240～280 m留巷變形穩定階段，最終頂底板變形量保持在1 000～1 200 mm，能滿足巷道在回采期間的通風要求。

7 結 論

(1)根據3107工作面回風巷頂板巖層情況、公式計算和以往的工程實踐，采用高水材料巷旁充填技術,確定巷旁支護體寬2 m。采用錨桿、錨索加固充填區域頂板，保持充填區域范圍內的頂板完整性。

圖6 頂底板、兩幫移近量與工作面距離關系

(2)3107工作面回風巷采用沿空留巷后可實現Y型通風，輔以其它措施治理瓦斯，可以從根本上解決高瓦斯采煤工作面上隅角瓦斯積聚和超限的難題。

(3)根據礦壓觀測結果，在工作面240～280 m，巷道圍巖移近量逐漸變緩，最終頂底板變形量保持在1.0～1.2 m，基本滿足巷道在回采期間的通風要求。