新元公司無煤柱開采充填技術應用與推廣

呂 杰，卞 卡

(1.山西新元煤炭有限責任公司，山西 壽陽 045400；2.揚州中礦建筑新材料科技有限公司，江蘇 儀征 211400)

當今開采技術的進步加大了對煤炭資源的開采力度[1]，然而，隨著煤炭資源開采深度和開采強度的增加[2]，巷道掘進量加大、采掘接替緊張等一系列問題也隨之而來。由于煤層賦存條件的復雜性，留煤柱護巷形式不僅會造成煤資源極度浪費，對于高瓦斯礦井而言，還會出現工作面上隅角瓦斯超限等無法避免的安全難題。眾多專家學者針對無煤柱護巷技術展開了大量的研究，在工程實踐中也取得了很好的效果[3-5]。陽煤集團所采煤礦與全國其他煤礦相比瓦斯災害較為嚴重,下屬新元公司3號煤為煤與瓦斯突出煤層，回采工作面一直采用“兩進兩回”的“U+L”通風系統，回風、尾巷、配風巷“三巷并掘”，煤柱寬度20 m。巷道掘進量大、采掘接替和礦井供風緊張、煤炭資源損失較多、上隅角瓦斯積聚超限等一系列問題嚴重影響礦井安全高效生產。針對存在的諸多問題，結合國內外礦井生產實踐經驗,為改善傳統巷道布置與掘進帶來的不足，新元公司3號煤所有工作面均采用高水材料巷旁充填沿空留巷技術實現了無煤柱開采，極大地降低了瓦斯災害、減少了區段煤柱損失,取得了顯著的經濟效益和安全生產效果，同時也為解決瓦斯問題提供了新的技術途徑，增加了公司的技術儲備。

1 生產地質條件

新元公司主采3號煤層屬于高瓦斯突出煤層，賦存穩定，結構簡單，屬中灰、低硫的優質貧瘦煤，煤層以亮煤為主，內生裂隙較為發育，煤層中含1～2層泥質夾矸，夾矸厚度一般為0.02～0.06 m，煤層傾角一般為2～6°，平均為4°，煤層厚度2.20～2.93 m，平均2.86 m。直接頂為砂質泥巖，厚度為3.0～6.1 m；基本頂為中粒粉砂巖，厚度為2.20 m左右，底板為2.98 m的砂質泥巖，其煤層頂底板巖性情況如表1所示。

表1 巖層柱狀

工作面巷道布置情況如圖1所示，采用兩進兩回的“U+L”通風方式，由于工作面采空區隨采隨冒，進入采空區后部橫貫的有效通風距離短，工作面采空區漏風易造成工作面上隅角和回風風流瓦斯濃度超限。

圖1 工作面巷道布置方式

某工作面走向可采長度1 618 m，留巷巷道為工作面回風巷，巷道沿3號煤層頂板掘進，設計斷面為寬×高(4.8 m×3.0 m)，巷道頂板錨桿索聯合支護，W型鋼帶連接，兩幫采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿、塑料網、木托板聯合支護。原有巷道布置存在的主要問題：

1) 突出煤層工作面需要4條巷道，掘進頭多、占用風量多、防突壓力大、萬噸掘進率高、采掘接替和礦井風量緊張。

2) 鄰近采空區巷道維護困難、返修量大，尾巷的配風巷正好處于鄰近工作面高應力采動影響范圍內，即使采用全錨索支護，巷道變形也非常嚴重，整巷工程量相當于重掘一條巷道。

3) 每個工作面損失2個煤柱，3號煤優質資源損失量大，采區回收率僅69%。

4) “U+L”型通風上隅角瓦斯涌出量大、難于管理。“U+L”通風系統存在上隅角和尾巷瓦斯超限難于管理、不符合煤礦安全規程要求、風流不穩的問題。《煤礦安全規程》第一百五十三條規定：“采掘工作面的進風和回風不得經過采空區或者冒頂區”，由于尾巷是通過采空區通風，與現有規程不符，“U+L”通風系統被迫淘汰。

2 無煤柱開采技術方案

相對于沿空掘巷而言，沿空留巷無煤柱開采技術不僅可以實現無煤柱護巷、提高煤炭回收率、緩解采掘接替緊張的難題，還可以改變工作面通風方式，實現“Y”型通風，有效解決了工作面上隅角瓦斯積聚與超限問題，在許多煤礦得到了應用[6-8]。

鑒于沿空留巷頂板巖層運動規律，沿空留巷圍巖變形、巷旁充填體變形以及支護體載荷的變化都與回采工作面的周期來壓有關系。回采工作面后方20 m范圍內，巷道圍巖變形速度較大；當周期來壓引起工作面后方基本頂弧形三角板失穩時，巷道圍巖及巷旁充填體發生劇烈變形，支護體承受載荷也劇烈增加，這個區域一般在工作面后方20～40 m范圍內。根據新元公司3號煤層賦存條件、頂板及兩幫圍巖支護狀況，在技術可行的情況下，從經濟性角度出發，最終確定新元公司3號煤層采用沿空留巷工作面的巷旁充填支護所用高水材料水灰比為1.5∶1，甲乙料比為1∶1，將充填體部分置于采空區，充填體寬度為2.0 m，高度為2.9 m。工作面由“U+L”型通風改為“Y”型通風方式，從而解決了工作面上隅角瓦斯超限問題。高水材料特性如表2所示，充填體布置及通風方式如圖2所示。

表2 高水材料特性

圖2 充填體布置及通風示意

巷道在保留原支護形式的基礎上，頂板及兩幫補打4根D18.9 mm×6 300 mm，間排距為1 000 mm×1 000 mm的補強錨索。充填體巷旁支護采用D22 mm×2 200 mm，間排距為800 mm×800 mm的等強螺紋鋼對拉錨桿支護，支護方案如圖3所示。

圖3 沿空留巷支護方案(mm)

3 工業性試驗

沿空留巷巷旁充填滯后于工作面回采2～3刀進行，工作面后方采空區預留2架擋矸支架為充填工作提供作業空間，根據設計的沿空留巷設計方案，配合輔助切頂卸壓，依次充填。沿空留巷巷旁充填由制漿系統、泵送系統和充填袋立模三部分組成，其中，制漿系統由4臺攪拌桶組成，甲乙料各由兩臺攪拌桶單獨攪拌；泵送系統由2臺雙液注漿泵及注漿管路組成；充填袋立模主要包括聯結鋼筋網、吊掛充填袋和穿對拉錨桿。充填流程如圖4所示。

圖4 工作面巷旁充填工藝流程

3.1 巷道變形特征

根據監測結果和現場實際效果觀察，沿空留巷變形穩定后最大頂底移近量不超過1.2 m，頂底板移近以底鼓為主，兩幫移近量約650 mm，兩幫移近以實煤體幫變形為主。由于3號煤層煤體較軟，底板為泥巖，強度較低，工作面回采動壓影響劇烈，故沿空留巷整體圍巖控制效果較好。

留巷復用前進行整體起底，整個留巷復用期間，圍巖變形基本控制在允許的范圍內，能基本滿足巷道使用的要求。巷道的基本支護、加強支護及巷旁充填支護基本滿足巷道掘進、留巷到復用的支護要求。留巷變形情況如圖5所示。

圖5 沿空留巷現場效果

3.2 瓦斯治理效果

以首個沿空留巷工作面沿空留巷實施效果為例，采用沿空留巷“Y”型通風方式后瓦斯治理效果明顯，工作面回采期間沒有發生瓦斯超限。

由表3可知，通過對比相鄰工作面的兩進兩回“U+L”通風系統和工作面兩進一回“Y”型通風系統，“Y”型通風系統條件下瓦斯涌出量有所降低，瓦斯得到了有效治理，避免了在瓦斯臨界狀態下割煤。經分析，瓦斯涌出量降低的主要原因有兩個：

表3 “U+L”通風系統與“Y”型通風系統瓦斯對比

1) 由于沿空留巷將采空區與巷道有效隔離，采空區瓦斯流場改變，沒有大量涌向工作面。

2) 采用“Y”型通風方式，工作面采場處在正壓情況下，瓦斯不易涌出，很好地解決了上隅角瓦斯問題。

3.3 沿空留巷經濟效益

沿空留巷可以回收區段煤柱，減少回采巷道的掘進，考慮到巷道掘進成本降低以及多回收煤柱所帶來的效益，沿空留巷后工作面少掘1條巷道每米減少投入1.5萬元，沿空留巷綜合經濟效益非常顯著。

4 結 語

1) 采用沿空留巷無煤柱開采技術，減少了巷道掘進工程量，實現了3號煤層優質煤種的高效開采，緩解了采掘接替緊張的局面，保證了工作面的高效生產。

2) 工作面減少了區段煤柱損失，提高了采區采取率，給公司帶來了更多的經濟效益。

3) 工作面由兩進兩回“U+L”型布置方式調整為兩進一回“Y”型布置方式，由于采空區受正壓作用，工作面瓦斯涌出量減少了一半，解決了上隅角瓦斯超限問題。

4) 實施沿空留巷不影響工作面的正常推進。探索了一條適應新元公司3號煤層瓦斯治理和巷道布置的有效途徑，取得了顯著的安全和經濟效益。