沿空留巷對礦壓的影響及管控措施

周 茂

(國能神東煤炭集團有限責任公司大柳塔煤礦，陜西 榆林 719315)

0 引言

沿空留巷技術能夠較好地實現無煤柱護巷，是煤礦開采技術的一項重大改革[1-5]。此項技術不僅是合理開發煤炭資源、提高煤炭資源采出率、防止發火的護巷技術，而且是礦山進行采煤方法改革、實現前進式和往復式開采、實現Y型通風方式、治理工作面瓦斯超限難題的最有效途徑，其技術優勢和經濟效益顯著[6-9]。

目前神東礦區神東煤炭集團結合神府東勝煤田賦存條件以及國內外采煤設備發展，經過十幾年的不斷創新努力，在高產高效開采技術方面已得到了長足發展。礦區多為淺埋深煤層，受礦壓影響較小的工作面，上下工作面之間一般留設15 m的隔離煤柱，受礦壓影響較大的工作面，隔離煤柱留設普遍在20～35 m，現有的留煤柱開采方法回采時損失的煤柱資源煤量非常之大。據統計，2013年全公司煤柱資源煤量損失約1 400萬t。如果能實現無煤柱開采，將極大地提高公司的煤炭開采率。

2015年，神東榆家梁煤礦在43308工作面2.0 m中厚煤層柔模沿空留巷技術成功，取得了良好的經濟效益及示范效應。榆家梁煤礦現已完成多個工作面的沿空留巷作業，沿空留巷技術已經成熟，但沿空留巷頂板管控困難較大。為此，總結榆家梁煤礦43203綜采工作面回采時43203回順(43203回順為沿空留巷巷道)礦壓顯現情況及采取的管控措施，以期向其他礦區提供借鑒。

1 工程地質及施工工藝

1.1 43203綜采面工作面布置

榆家梁煤礦43203工作面長度為246.6 m，傾角1°～3°，容重1.30 t/m3。西側為43204綜采工作面，東側為43202綜采采空區，南側為4-3號煤層保安煤柱。在43202綜采工作面回采期間，采用柔模混凝土沿空留巷的方式將43202運輸順槽保留下來作為43203綜采工作面回風順槽。砼墻厚1.0 m，高2.3 m，巷道寬為4.5 m，長度為1 791 m，混凝土設計標號為C30。

1.2 地質條件

43203工作面地表為黃土溝壑區，地表標高+1 218～+1 352 m，最大高差130 m，在回采過程中工作面上部有2處地表存在張明溝貫穿工作面。43203回順11硐室到9硐室為架棚區，架棚區長度為142 m；過42218回撤通道和回撤輔巷間煤柱，寬度為20 m；過42227回風順槽和42218回撤輔巷間煤柱，寬度為35 m，集中煤柱貫穿整個工作面。與4-2號煤層間距14～18 m；地層總的趨勢是以極緩的坡度向北西傾斜的單斜構造，傾角1°～3°，斷層不發育，后生裂隙發育。煤層頂底板特征見表1。

表1 煤層頂底板特征Table 1 Characteristics of coal seam roof and floor

1.3 采煤方法及設備

43203綜采面采用走向長壁后退式綜合機械化采煤法采煤，全部垮落法管理頂板。回采工藝流程為安全檢查—端部斜切進刀落煤—割煤、裝煤—運煤—推移刮板輸送機—移架放頂。綜采工作面成套設備主要由鄭州煤機廠生產的ZY10500-11-22D型液壓支架、采煤機、刮板運輸機、轉載機、膠帶輸送機及工作面供電、供液設備等組成。43203回順巷道寬度為4.5m，超前支護采用單體進行支護，每排3根，間排距均為1.5 m。機尾水箱前6 m，每排增加1根單體。

2 回采時砼墻側壓力顯現

2.1 正常回采時端頭架及過渡架礦壓觀測

43203工作面共145臺支架，其中145#、144#、143#、142#架為端頭架，141#架為過渡架。礦壓觀測時分別對118#、134#架布置2條測線，以2020年10月份觀測統計數據形成壓力曲面圖，如圖1所示。

圖1 118#、134#架壓力曲面Fig.1 Pressure surface diagram of support 118 and support 134

從圖1可以看出，機尾端頭架來壓步距為7～20 m，來壓時最大壓力為43.8 MPa，支架立柱下沉5～8 cm。來壓時工作面貫通機尾出現漏矸。通過觀察分析可知，機尾來壓步距與埋深有較大關系，埋深在94～110 m范圍內機尾周期來壓變化不大，埋深超過110 m后來壓步距明顯縮短，且變化較大，見表2。

表2 機尾周期來壓步距與工作面埋深影響關系Table 2 Relationship between periodic weighting step of the tail and buried depth of the working face

2.2 正常回采時砼墻變化及三角區懸頂垮落情況

2.2.1 砼墻變化情況

通過在回采過程中對砼墻變化情況進行觀測，端頭架前10 m范圍內混凝土墻體結構會發生明顯破壞，墻體噴漿發生大面積片幫，10～20 m范圍內墻體噴漿發生小面積片幫，20 m以外基本無變化，砼墻變化情況如圖2、3所示。

圖2 超前10 m范圍砼墻變化Fig.2 Change of concrete wall within 10 m ahead

圖3 超前10～20 m范圍砼墻變化Fig.3 Change of concrete wall within 10～20 m ahead

2.2.2 三角區懸頂垮落情況

在生產過程中機尾三角區垮落情況為滯后工作面40 m以后緩慢下沉，老頂一直不垮落，壓力傳遞，導致貫通機尾時漏矸嚴重，煤壁出現片幫，頂板出現下沉。為解決頂板不垮落問題，采取在巷道內提前水預裂方式，對老頂進行預裂[10-12]。實行水預裂后在水預裂范圍內頂板能緊跟支架垮落，垮落效果較好，如圖4～6所示。

圖4 水預裂鉆孔平面設計Fig.4 Plane design of water pre-splitting borehole

2.2.3 機尾超前支護范圍內巷道下沉情況

在機尾超前支護的單體范圍內，即距工作面9～10.5 m處選1個單體，在單體油缸伸出10 cm處布設觀測點，每班觀測2次，并填寫記錄。在機尾水箱前每20 m布置1個測點，測量頂底板兩幫移進量，共安設5個測點，共計100 m，每班觀測2次。通過觀察，超前影響范圍機尾端頭架至水箱前10 m范圍內，巷道有下沉現象，最大下沉量為15 cm。10～20 m內巷道下沉量較小，20 m以外巷道基本無下沉。

圖5 水預裂前三角區懸頂情況Fig.5 Overhanging situation of triangular area before water presplitting

圖6 水預裂后三角區懸頂情況Fig.6 Overhanging situation of triangular area after water pre-splitting

3 礦壓變化及管控

3.1 沿空留巷對礦壓的影響

頂板壓力變化：43203綜采工作面在回采過程中通過礦壓數據分析，來壓時機尾段先來壓，且壓力較大，來壓持續4～5刀，100#架至機尾周期來壓步距為4～6 m。100#～40#架周期來壓比較分散，來壓步距在12～15 m，來壓時持續2～3刀。沿空留巷對附近頂板壓力如圖7所示。由圖7可以看出，留巷支承壓力從采空區懸頂斷裂處開始向工作面一側傳遞，更多地承受43202工作面采空區覆巖壓力，所以其支承壓力峰值偏向巷道頂部，且應力峰值相比掘巷應力峰值要高，曲線向工作面延伸的也遠，而后恢復至原巖應力。

圖7 留巷圍巖結構及其相應的側向支承壓力示意Fig.7 Surrounding rock structure of the entry retaining and its corresponding lateral support pressure

砼墻變化情況:現場觀察，超前工作面10 m內為應力急增區，墻體結構破壞較為嚴重，頂板下沉明顯，平均為300 mm左右。超前工作面10～20 m為應力緩升區，頂板下沉不明顯，兩幫及頂板未發生明顯破壞。

單體下沉情況:對超前支護10 m范圍內單體進行觀察，在正常條件下單體下沉6～8 cm；在過架棚區單體下沉15～20 cm；過集中煤柱區單體下沉10～15 cm。埋深對沿空留巷礦壓影響較大，埋深在100 m以下時砼墻下沉100～200 mm，埋深在100～150 m時砼墻下沉200～300 mm。

3.2 頂板管控措施

機尾段周期來壓步距較小，來壓頻繁需加強支架初撐力管控，在生產過程中發現支架壓力不足現象，必須立即補壓。加強三角區懸頂面積管控，可以提前在巷道內施工應力釋放孔，減少三角區懸頂面積。正常情況下超前支護距離由20 m增加至30 m，采用每排3根進行支護，在砼墻側加打單體1排，加打距離為10 m。要每班檢查單體支護情況和測量單體下沉情況，發現單體支護質量不符合要求要及時加密支護。過集中煤柱區和架棚區等特殊構造地帶，采取加密超前支護方式和延長超前支護距離。超前支護20 m范圍內的單體排距由1.5 m變更為1 m。在生產作業中嚴禁超前回撤單體，壓力較大時必須等待壓力穩定后才能回撤單體。過特殊地質構造，在機尾作業時必須嚴格執行“作業不生產，生產不作業”的規定，確保作業人員在頂板發生狀況時能夠及時采取躲避措施。因砼墻變形嚴重，機尾端頭架存在壓架風險，需提前測量巷道高度，按巷道最大下沉量計算高度是否滿足要求，提前采取起底作業。

4 結論

(1)柔模混凝土沿空留墻沿墻掘巷技術，采用1 m厚的柔模混凝土墻體替代了15 m的護巷煤柱，多回收了煤炭資源，能夠延長礦井服務年限。沿空留巷超前工作面10m內為應力急增區，墻體結構破壞較為嚴重，頂板下沉明顯；超前工作面10～20 m內為應力緩升區，頂板下沉不明顯，兩幫及頂板未發生明顯破壞。

(2)沿空留巷支承壓力從采空區懸頂斷裂處開始向工作面一側傳遞，更多地承受工作面采空區覆巖壓力，所以其支承壓力峰值偏向巷道頂部，且應力峰值相比掘巷應力峰值要高，曲線向工作面延伸的也遠，致使機尾段來壓頻繁，而后恢復至原巖應力。

(3)沿空留巷的礦壓顯現表現為回采時超前墻體結構破壞較掘巷嚴重，頂板下沉明顯、頂板回轉變形較為明顯，墻側下沉比煤幫明顯，工作面煤壁片幫影響范圍較長。留巷超前支承壓力對工作面的超前影響范圍為20 m，工作面10 m范圍內采動對巷道圍巖變形影響劇烈。因此，建議在滿足煤礦安全規程超前支護強度的基礎上對超前10 m范圍進行單體加強支護。

(4)沿空留巷三角區懸頂面積大，可采取提前巷道內水預裂的方式阻斷頂板壓力的傳遞或在留巷時優化支護，避免因支護強度過大導致三角區頂板垮落困難。