兩種沿空留巷技術的對比試驗研究

郭生杰

（晉中長泰安全科技有限責任公司，山西 晉中 030600）

隨著我國工作面開采深度的增加，我國現有的很多開采工作面都顯現出深部開采的特點，往往面臨著更大的地應力，需要留設比淺部煤層更多的煤柱來保護巷道，這就造成了極大的煤炭資源損失[1-2]。近年來提出的無護巷煤柱的開采方法，不僅能提高煤炭利用率，而且減少了巷道的掘進工程量，保證了生產的連續性，同時沿空留巷形成的Y型通風可有效地緩解工作面瓦斯超限問題，具有極大的優越性[3-4]。本文以貴州林華煤礦20916工作面為研究對象，進行深部開采的沿空留巷技術方法研究探討。

1 工程概況

林華煤礦位于貴州省金沙縣西南，為煤與瓦斯突出礦井?，F開采9#煤層，位于上二疊系龍潭組，煤層厚度為0.8～3.24m，平均傾角10°，為大部穩定可采煤層。

20916工作面位于二采區，開采水平為+800m，屬于深部開采工作面，采用上行開采。工作面采高為2.2～2.6m，采用綜合機械化一次采全高。運輸順槽布置為矩形截面，尺寸為4.5m×2.8m，工作面布置如圖1所示。20916工作面直接頂為破碎松軟的粉砂質泥巖，厚度為15.97m。在20916工作面開采過后，將20916工作面的回風順槽保護起來，作為20912回采工作面的運輸巷，對原有巷道進行支護加固。由于工作面不同位置頂底板巖性及強度存在較大差異，因此在采用沿空留巷技術時，針對不同的頂底板條件分別采用高水充填技術和切頂卸壓技術。

圖1 工作面布置圖

2 高水充填支護技術

從工作面切眼開始，共計130.5m采用高水充填進行巷旁支護。充填時，將高水材料注入充填包中，其尺寸為4000×2500×3000mm。按照工作面實際推進情況進行充填，一般情況下充填長度應為工作面一天的推進距離，將多個充填包按照一定距離布置在巷道中，一天充填一次。首先進行工作面的推進，然后再進行充填包注漿。當工作面推進后距已充填墻體的距離小于一個充填包的長度時，可先不進行充填，待條件滿足后再進行。工作面后方的支架與巷道中充填墻體距離達到4.3m時，必須停止推進，進行充填注漿。

高水材料由甲、乙原料組成，在高水材料制作過程中，兩種原料不混合，各自在攪拌桶中攪拌，確定水灰比為1:1.5，在攪拌桶中攪拌均勻后，使用雙液注漿泵將這兩種原料加壓，通過運輸管路將這兩種漿液沿著頂板的注漿孔注入巷道的充填包中。甲乙兩種漿液在單獨攪拌時不發生凝固，在混合時能夠快速凝固，可以在充填包中形成固態實體，起到充填支護的作用。泵站布置示意圖如圖2所示。

圖2 充填泵站布置圖

為了避免在巷道充填過程中發生頂板、巷幫問題并保證現場工作人員的安全，需要在充填之前進行巷道預加固措施[5]。在工作面頂板布置鋼塑復合網，并配合螺紋鋼錨桿進行聯合支護，支撐頂板，減少頂板的變形破壞。同時在巷幫布置錨桿以防止圍巖的擠壓發生片幫，巷幫錨桿每500mm打一根。

3 切頂卸壓技術

在工作面頂板進行切頂可有效減小頂板來壓[6]，根據公式：

式中：

hk-切縫高度，m；

K-切縫綜合碎漲系數，K=1.4；

m-采高，m。

由式（1）可計算得切縫高度為5.86m。此高度處于直接頂范圍，為砂質泥巖，松軟，易垮落。根據工程經驗取切頂角度為15°，此時切頂高度為6m，對于20916工作面切頂較為有利。

在工作面上方進行切頂后，后方頂板巖層上形成了短懸臂梁結構，支撐壓力變大，變形增強，原有的頂板支護技術不能滿足這種較高強度的礦壓顯現，因此需要進行支護設計的優化。在頂板原有支護裝置的基礎上安裝恒阻大變形錨索，在350kN壓力下變形達1000mm而不損壞，可有效地吸收塑性變形能，抵抗頂板來壓。錨索補強支護如圖3所示。

圖3 錨索補強支護圖（單位：mm）

切頂技術采用雙向聚能爆破方式，這種方式成縫率高，切縫質量好。對工作面進行超前錨索補強支護，在進行爆破前，對錨索施加預緊力，使其能夠承受爆破時產生的較大的礦壓沖擊。當錨索距炮孔超前支護達到20m時方可在預制炮孔內進行爆破。

在爆破切頂后，需要對巷道中的垮落矸石進行清理，同時由于頂板爆破，產生新的裂隙且裂隙之間的相互溝通，煤層中的瓦斯運移通道增多，采空區內的瓦斯很容易沿著既有通道涌向其他工作面，因此當頂板穩定后應進行噴漿處理，堵塞運移通道，防止采空區瓦斯逸出。

4 工藝對比

20916工作面在沿空留巷應用中，在切眼至130.5m處進行高水材料充填支護，充填方式為全斷面充填；在130.5～273m處進行切頂卸壓，采用雙向爆破方式。通過這2種沿空留巷措施，留巷巷道均穩定成巷，沒有發生頂板垮落和片幫現象，同時采空區的瓦斯濃度也較為穩定，處于安全范圍。因此2種留巷方式均取得較好的效果。

對比以上2種留巷方式，高水充填所需材料較多，需要材料制備、加工處理、輸送等多道工序，流程復雜，所需要的機具較多。而且在工作面進行超前錨桿支護、推進面與充填墻體距離較大時須停止采煤，這就影響了生產效率。但是充填留巷技術留巷穩定性高，對原有巷道的保護能力強。卸壓切頂留巷技術需要超前支護、加恒阻錨索補強支護和進行爆破，工序較簡單，成本低，對工作面采煤工作的干擾小，能夠保證采煤的正常進行。但是切頂后的巷道雖然頂板來壓減小，且有補強錨索的支護，但是錨桿-錨索的支護亦有一定的極限，因此在切頂卸壓后需要繼續監控巷道礦壓變化特征，防止礦壓的突然增大而損壞巷道。

5 結論

（1）20916工作面由于不同位置的圍巖性質差異而選用高水材料充填和切頂卸壓兩種方式進行沿空留巷，成巷后由于采取了有效的支護加固措施，使得礦壓顯現穩定，并且通過噴漿處理可有效預防采空區的瓦斯溢出，均取得良好的留巷效果。

（2）對比分析兩種留巷技術在實際應用中各有優劣，采用高水材料充填的留巷穩定性高，但工藝復雜且會影響采煤工作的正常進行；采用切頂卸壓爆破留巷的方式，工藝簡單，成本較低，但需要進行持續監測以確保巷道的穩定性。