沿空留巷技術在綜采工作面的應用

史俊偉

（山西介休義棠倡源煤業(yè)有限公司， 山西 晉中 032000）

沿空留巷是指采煤工作面回采后沿采空區(qū)邊緣維護原回采巷道，為了回收留設的保護煤柱而采用一定的技術手段將上一區(qū)段的順槽重新支護留給下一個區(qū)段使用，做法是沿著采空區(qū)邊緣在原順槽位置保留，有助于提高煤炭回收率和減小掘進工作量，通過支護可以避免有毒有害氣體進入，減少巷道進水，另外不僅保護巷道，同時還能降低發(fā)生巷道變形量的現(xiàn)象，有力地防止自然災害對巷道的破壞作用。

1 綜采過程中沿空留巷的技術概述

對于巷道設置，早期主要采用留設煤柱法，其實用性和可靠性比較高，但是隨著采煤技術的發(fā)展，煤層貯存條件的復雜程度的升高，也出現(xiàn)了許多問題，留設煤柱法對于環(huán)境的適應性較差，不易調節(jié)，不利于安全生產(chǎn)的管理和作業(yè)人員的安全，所以在工作面巷道布置的初期時刻，尤其是初次來壓時，一定要對礦壓、開采方案、開采效率、安全性等相關技術不斷的進行研究，促使其對安全生產(chǎn)進行服務。而如何更好地利用沿空留巷的技術去對巷道進一步進行有效地維護，同時還要提高一定的綜合治理能力的問題，采空區(qū)支護技術在國內外得到了廣泛的應用和推廣，在經(jīng)過實踐與理論的高度結合并結合實際進行改進完善之后，從最初的水泥堆砌的磚石，到用密集的支柱和金屬網(wǎng)棚，再經(jīng)發(fā)展之后的用高分子水材料進行填剁式的充實，通過在高、低抽巷上使用傾向鉆孔來進行替代，實現(xiàn)了真正的無煤柱開采，這樣對煤炭資源的回采和煤炭的連續(xù)開采有較大的推進作用，同時也是為了實現(xiàn)安全高效的生產(chǎn)，徹底解決對上下隅角瓦斯超限的問題。

2 綜采工作面沿空留巷技術中存在的問題及分析

在實際的綜采工作面組織生產(chǎn)過程中，沿空留巷技術在其中要有更好的應用，其核心關鍵是要把礦壓的問題徹底解決，在組織生產(chǎn)過程中，綜采工作面實際顯示的礦壓以及沿空巷道的礦壓數(shù)值，是綜采工作面支護方式選擇的依據(jù)。其中沿空留巷的礦壓一般是來源于工作面上部的頂板壓力，所以支護的頂板是支護的重點所在，要依據(jù)標準進行支護形式的選擇和支護強度的設計。在支護設計時，要想實現(xiàn)合理有效，就必須要分析巷道頂板上的礦壓，并循求礦壓的顯示規(guī)律，比如巷道的頂板需要承受的礦壓比較大，首先要承受巷道上部巖石自重帶來的壓力；其次還要承受工作面煤層開采過程中超前支承的壓力。沿空巷道的礦壓與其他巷道的礦壓有很大不同，有自己的特點，比如在綜采工作面靠近沿空留巷時，巷道礦壓表現(xiàn)為動態(tài)變化的過程，有明顯增加的趨勢，但是在遠離工作面時，沿空留巷又表現(xiàn)為急劇的降低和穩(wěn)定，總之沿空留巷的礦壓其實是時間和空間上的函數(shù)變化，要想沿空留巷技術有效應用，就必須采用合理有效的方法對巷道進行安全防護和支護。

3 綜采工作面沿空留巷的技術設計

3.1 目前沿空留巷多采用的支護方式

最初的綜采工作沿空留巷采用的多是密集支架支護，矸石堆垛支護和砌體墻支護的方式，但是均已經(jīng)逐步淘汰，因為支護質量和支護效率不高，并且支護強度也不夠，容易造成垮棚和冒頂，支護材料消耗也比較大，另外支護效果不好。其中矸石垛充填和砌體墻支護的具體比較見表1。

表1 沿空留巷的支護方式比較

其中，其他方式的巷道支護技術包括混凝土隔墻支護技術、筒柱支護技術和膏體充填支護技術。這些技術應用于采空區(qū)圍護施工非常方便，施工效率很高，支護強度可以得到保證，但仍存在支護成本高的問題，亟待解決。

3.2 綜采工作面頂板運動對沿空留巷的影響

上覆頂板的運動過程控制著下部留巷工程，是影響沿空留巷圍巖穩(wěn)定的根本誘因。隨著直接頂厚度的降低，基本頂破斷位置不斷靠近充填體，充填體破壞程度依次增加。基本頂回轉角、頂板垮落角隨直接頂厚度減小而增大，基本頂回轉角、頂板垮落角越大，對留巷圍巖破壞越嚴重。因此調控頂板運動狀態(tài)，是優(yōu)化留巷區(qū)域應力狀態(tài)，維護留巷穩(wěn)定的治本之策（見表2）。

表2 工作面頂板后期垮落特征表

在工作面煤層上方10 m 的應力分布，一般側向應力分布存在“雙峰應力”，即側向支承應力和墻體上集中應力。其中側向支承應力對工作面的影響是直接頂越薄，應力集中系數(shù)越大，老頂直覆時最大；墻上集中應力也是同樣如此，這就說明了老頂?shù)氖┹d效應隨著直接頂?shù)臏p小而增強。在工作面煤層上方20 m 的應力分布特點則是側向應力為“單峰應力”，墻上無集中應力，支撐體不能控制高位巖層，同時側重向支承應力是直接頂越薄，峰值越靠近留巷，對巷道的影響則越大。由此可以得知，無論頂板條件如何，綜采工作面的開采均會造成留巷周圍支承應力升高，隨著綜采工作面的推進，采動應力不斷調整，會加快圍巖的破壞速度，在采動應力調整階段，支承應力集中系數(shù)隨直接頂厚度的減小而增大，支承應力極值位置隨直接頂厚度的減小而遠離工作面，故此要減緩支承應力集中程度是控制沿空留巷圍巖變形的技術核心。

4 綜采工作面沿空留巷技術優(yōu)化應用及效果分析

以筆者所在綜采工作面為例進行沿空留巷設計的優(yōu)化。首先進行沿空留巷的設計，具體工藝流程如下圖1 所示。

圖1 沿空留巷設計工藝流程圖

根據(jù)工作面的自然條件來合理選用沿空留巷技術，在采用巷道保護技術對其相鄰層內的瓦斯進行抽采降壓后，可在井下抽采的時候對工作面上采空區(qū)消除瓦斯安全隱患，以能夠進行創(chuàng)造一個安全高效的開采條件。在既有工作面巷道旁支護時，需要準確選擇和合理計算強度合適的充填材料。如圖2 所示，其中充填材料選用混凝土膏體材料，巷道煤側至頂切線懸空頂板寬度為預留巷道充填體寬度的1.2 倍。當主頂板承壓時，應充分考慮下一層和回填的動荷載系數(shù)。另外，回填材料的強度必須滿足承載要求，在開采支護應力的作用下，一般可以采用一些收縮性較強的回填物來選擇回填物進行巷道支護，從而更好地避免巷道變形和壓縮，對巷道維護也具有重要意義。

圖2 沿空留巷旁墻體位置圖

同時，在巷道下側設置密集的木樁，立樁后再堆放沙袋或煤袋；也可以將廢石破碎后裝入專用塑料袋中，將裝滿廢石的塑料袋堆放在巷道下側，使廢石塑料袋相互壓緊進行基礎和頂板連接。采煤工作面采用的核心作業(yè)是隨著工作面的推進，將矸石墻堆放在寬度為1.5 m 的巷道下側，具體操作方法是在巷道下側設置兩排行距為1.0 m×1.5 m 的圓木點柱，圓木點柱必須鋪設在硬底上并緊固牢固，使其規(guī)整牢固，然后釘上30 mm 厚的發(fā)冠板。巷道一側的預留空間呈線形，使預留巷道能夠正常使用。最后，將預留巷道空間與矸石形成線性形狀，使預留巷道能夠正常使用。最后，用矸石拱起預留巷道空間。工作面每三到五個周期拱一次，在拱起時，將豎立的支架與矸石墻之間的單體逐漸去除，同時填充矸石和水泥砂漿，每次堆砌一層矸石時填充一層水泥砂漿，直到砌碹體接至頂板。

經(jīng)過大量的現(xiàn)場實測表明，采場與采場具有相似的邊界條件、應力特征等共性。因此，地壓產(chǎn)生的機理是相似的。通過此次沿空留巷的技術優(yōu)化后，工作面的各項技術指標均優(yōu)于國內外同類技術指標，具體參見下頁表3。

另外，采空區(qū)留巷與工作面采場有不同的采空區(qū)邊界，留巷為固定邊界，采場為移動邊界，其巖層活動和巖層行為有一定的相似性和特殊性。與工作面連續(xù)推進, 在低端的工作面, 板固定在直角的角落, 導致“角”效應,使得該地區(qū)弧形失敗,形成“弧形三角形板”“弧三角”的穩(wěn)定性有很大的影響。巷道的性能和早期支護參數(shù)也應采用圓弧三角形結構進行計算。在設計沿空留巷支護阻力時，一般考慮極限狀態(tài)，即取頂板達到危險狀態(tài)的截面作為截面，得到彈性地基梁模型。在采空區(qū)保留期間，綜采工作面后方變形大多具有明顯的分區(qū)性，可分為嚴重變形區(qū)（-10～50 m）和中度變形區(qū)（-50～80 m）。重度變形區(qū)巷道兩側最大變形速度約為35 m/d，中度變形區(qū)巷道兩側最大變形速度約為15 mm/d。根據(jù)礦壓實測結果，空邊支護巷道頂板和底板平均變形為680 mm，兩幫平均變形約為500 mm。頂板和底板變形的現(xiàn)場分析表明，頂板和底板變形主要為底鼓變形，平均底鼓變形在500 mm 左右。在采空區(qū)留巷應用過程中，發(fā)現(xiàn)工作面前方50～80 m 范圍內頂板和底板的變形速度相對較小，平均變形速度僅為5 mm/d。在工作面前方50 m 范圍內，巷道變形速度逐漸增強，在工作面前方10 m 范圍內，巷道變形速度急劇增加，達到30 mm/d 左右。通過礦壓觀測，可以看出采空區(qū)留巷技術作用非常明顯，變形量明顯減小，巷道無大的變化。

5 結論

在引入了沿空留巷技術后,合理精準設計支護形式，可大大提升了煤炭的回收利用效率，減少了掘進施工量，同時就地取材，將矸石資源得到充分合理的利用,同時還能減少對周圍環(huán)境的污染，在綜采工作面的經(jīng)濟效益和社會效益上產(chǎn)生巨大的收益，同時也實現(xiàn)較好的安全效益，為發(fā)展提供堅實的動力和基礎，所以說沿空留巷的技術在綜采工作面的成功應用，不僅僅可以使礦井煤炭的回采率得到有效提升，同時也會有效降低巷道的掘進工程量，大幅度地減少綜采工作面的接替時間，為礦井激發(fā)潛在的價值，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益。