煤礦工作面沿空留巷支護技術(shù)方案的設(shè)計及應用

王 華

（晉能控股煤業(yè)集團挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

引言

沿空留巷是將上區(qū)段工作面的一條回采巷道保留下來作為下區(qū)段工作面回采巷道使用的一項技術(shù)，其具有取消區(qū)段煤柱、提高資源采出率、減少巷道掘進量、緩解采掘接替矛盾、避免孤島工作面等優(yōu)點，是煤炭資源綠色、安全和高效開采的一種技術(shù)。長期以來，國內(nèi)外不少學者分別從技術(shù)、理論等方向?qū)ρ乜樟粝锛夹g(shù)作了大量研究，促使沿空留巷技術(shù)快速發(fā)展。巷旁支護經(jīng)歷了矸石墻、木垛、密集支柱、充填墻、砌塊墻無巷旁支護的發(fā)展；巷內(nèi)支護經(jīng)歷了木棚、工字鋼梯形支架、單體支柱結(jié)合頂梁網(wǎng)、錨梁網(wǎng)索支護的發(fā)展[1-3]。在沿空留巷理論方面，袁亮等建立了沿空留巷圍巖“大小”結(jié)構(gòu)模型，探討了留巷圍巖穩(wěn)定性控制關(guān)鍵技術(shù)；何滿潮等提出了沿空切頂成巷無煤柱開采方法，并研制出雙向聚能爆破結(jié)合巷內(nèi)加強聯(lián)合支護的切頂技術(shù)。以上成果從技術(shù)上和理論上都取得較好的發(fā)展和應用，本文以晉能控股煤業(yè)集團挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司81505工作面皮帶巷為研究對象，對沿空留巷支護方案進行優(yōu)化設(shè)計，為81505工作面皮帶巷沿空留巷現(xiàn)場的施工提供技術(shù)方案。

1 工程概況

1.1 礦井概況

晉能控股煤業(yè)集團挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司位于懷仁縣云中鎮(zhèn)，礦井井田面積為12.207 9 km2，礦井保有儲量為16 608萬t，設(shè)計可采儲量為9 345.4萬t，服務(wù)年限為55年。當前主要開采5號煤層，瓦斯等級為高瓦斯，水文地質(zhì)類型為中等，自燃傾向性為容易自燃。礦井開拓方式為斜井、立井混合開拓，井筒數(shù)量為4個，主要運輸方式為斜井強力皮帶，輔助運輸為膠輪車運輸，礦井生產(chǎn)布局為一井一面，綜采采用走向長壁后退式綜采放頂煤工作面，工作面頂板管理為全部垮落法，綜采機械化程度、綜掘機械化程度均達到100%。

1.2 工作面具體條件

虎龍溝煤礦81505工作面所采煤層為5號煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬于穩(wěn)定煤層。5號煤層傾角在2°～5°，平均傾角為3°；煤層厚度為1.45～2.23 m，平均厚度約1.78 m，局部煤層變薄，厚度為0.40～0.50 m。預測81505工作面掘進期間瓦斯絕對涌出量為0.5 m3/min，煤層有煤塵爆炸性，爆炸性指數(shù)19.03%，自燃傾向性為2級，屬自燃煤層。當前5號煤層的開采變現(xiàn)接替困難，針對這一情況，在81505工作面皮帶巷進行高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)的開采。針對81505工作面皮帶巷沿空留巷原支護巷道變形嚴重、支護困難的問題，對沿空留巷支護技術(shù)方案進行了優(yōu)化設(shè)計，并進行實踐應用。

2 巷道原支護方式

81505工作面皮帶巷屬半煤巖巷道，沿煤層頂板掘進，頂板采用鋼帶、錨桿和錨索聯(lián)合支護，錨桿采用Φ20 mm×2 200 mm圓鋼錨桿，間排距800 mm×1 000 mm。錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×5 400 mm，按兩排花型布置，間排距為4 000 mm×2 200 mm；巷道兩幫采用Φ20 mm×1 800 mm螺紋鋼錨桿，按兩排三花布置，間排距為1 500 mm×1 200 mm，每根螺紋鋼配套使用兩支樹脂藥卷，上部為CK2355、下部為K2355，最上一排錨桿距頂板500 mm。

3 沿空留巷巷旁充填體參數(shù)設(shè)計

針對81505工作面皮帶巷的地質(zhì)特征，對沿空留巷巷旁充填體參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。高水速凝材料水灰比確定為1.5∶1，此水灰比條件下高水充填材料峰值抗壓強度為10.4 MPa；高水速凝材料作為巷旁充填體全部置于采空區(qū)，充填體長、高、寬設(shè)計為3.2 m×2.0 m×1.6 m。

采用對拉錨桿、梯子梁、鋼筋網(wǎng)進行支護，增加充填體的承載能力和變形能力[4]。對拉錨桿間排距為750 mm×800 mm，最下面一根距離底板200 mm，最上面一根距離頂板300 mm，對拉錨桿采用規(guī)格Φ20 mm×1 800 mm的螺紋鋼材料制作。采用Φ14 mm圓鋼焊制的鋼筋梯子梁，托盤規(guī)格為120 mm×120 mm×10 mm。充填體外部鋪鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)采用Φ6.0 mm鋼筋焊接加工而成，規(guī)格為1 400 mm×1 000 mm，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。沿空留巷巷旁充填體加固支護情況如圖1所示。

圖1 沿空留巷巷旁充填體加固支護布置示意圖（單位：mm）

4 加強支護方案優(yōu)化設(shè)計

4.1 巷內(nèi)加強支護方案

81505工作面皮帶巷最初掘進作業(yè)施工時沒有考慮到沿空留巷開采方案，因此巷道支護方案的支護強度不高，必須進行補強支護。非采煤幫采用Φ20 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿配合Φ14 mm鋼筋自行焊制的鋼筋梯子梁進行補強支護，采用兩排三花布置，間排距1 500 mm×1 450 mm，最上一排錨桿距頂板650 mm。靠近回采幫頂板采用Φ17.8 mm×5 400 mm錨索補強支護，每排1根，排距2 000 mm，皮帶巷補強支護布置情況如圖2所示。

圖2 81505工作面皮帶巷補強支護圖（單位：mm）

4.2 充填區(qū)頂板支護方案

在端頭液壓支架沿頂板鋪設(shè)雙層菱形金屬網(wǎng)，采用錨桿加固的方式對充填區(qū)頂板進行加固，先推刮板輸送機后移架[5]。每割一刀煤打一排3根錨桿，第一排錨桿距支架前梁端不大于0.5 m，錨桿規(guī)格220 mm×2 200 mm，充填區(qū)上方加強支護情況見圖3。

圖3 充填區(qū)上方加強支護示意圖（單位：mm）

若巷道頂板在較好的情況下移架后能保持充填區(qū)內(nèi)頂板不破碎、不離層，則可以在液壓支架后方設(shè)置錨桿。

4.3 采空區(qū)擋矸方案

采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁+菱形金屬網(wǎng)進行擋矸，具體方案如下：單體液壓支柱排距和柱距為300 mm×500 mm，采用兩排單體液壓支柱配合鉸接頂梁支護，在外側(cè)鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)，可以起到防止矸石進入充填區(qū)域的目的。采空區(qū)擋矸加強支護情況如圖4所示。

圖4 留巷段擋矸加強支護示意圖（單位：mm）

4.4 留巷段加強支護技術(shù)與方案

81505工作面回采及皮帶巷留巷期間，工作面巷道頂板巖層活動非常劇烈，針對這一情況，必須采用兩根單體液壓支柱+π型梁配套加強支護[6]，單體液壓支柱排距和柱距為800 mm×2 100 mm，邊柱距兩幫的距離分別為500 mm、1 000 mm。

5 支護效果

虎龍溝煤礦81505工作面皮帶巷沿空留巷采用以上沿空留巷充填體材料參數(shù)、留巷內(nèi)加強支護、充填區(qū)域頂板支護、采空區(qū)擋矸及留巷段加強支護的方案進行優(yōu)化設(shè)計后，在皮帶巷設(shè)置了若干測點（每30 m設(shè)1個），對皮帶巷兩幫及頂?shù)装遄冃瘟壳闆r進行監(jiān)測。

通過對皮帶巷兩幫及頂?shù)装遄冃瘟康臄?shù)據(jù)分析可知，在81505工作面回采及留巷期間，在皮帶巷留巷后，該巷道兩幫移近量穩(wěn)定在106 mm，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在131 mm，巷道變形控制在許可范圍之內(nèi)，滿足了安全生產(chǎn)的要求。