李安紅 康顯強(qiáng) 方樹林

(1.山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省長治市，046100；2.山西高河能源有限公司，山西省長治市，046100；3.天地科技股份有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

無煤柱開采是提高煤炭資源回收率[1]、減少巷道掘進(jìn)量、改善巷道維護(hù)[2]、治理瓦斯超限[3]的一項(xiàng)先進(jìn)煤炭開采工藝[4]，有利于礦井安全生產(chǎn)和改善礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。在我國山東[5]、河南[6]、河北[7]、江蘇[8]、內(nèi)蒙古[9]等礦區(qū),在淺埋[10]、深埋[6]、中厚[6]及厚煤層[11-12]、大采高[9]、綜放[13]等各種條件下，積極發(fā)展無煤柱開采技術(shù)，取得了諸多成果。推行無煤柱開采，不僅對生產(chǎn)礦井進(jìn)行技術(shù)改造、緩解采掘緊張關(guān)系和延長礦井壽命具有現(xiàn)實(shí)意義[14-16]，而且也是煤炭企業(yè)改善安全生產(chǎn)條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[17]、實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、增效的重要途徑。

筆者以山西潞安集團(tuán)高河礦為研究對象，通過現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、工程實(shí)踐等3方面論證了無煤柱護(hù)巷的可行性和優(yōu)越性。

1 工程概況

高河礦在綜采工作面設(shè)計(jì)中采用留煤柱護(hù)巷布置方式，為提升煤炭資源回收率、延長礦井服務(wù)年限，在后續(xù)盤區(qū)設(shè)計(jì)中計(jì)劃采用無煤柱護(hù)巷方式。

W1318和W1319工作面為高河礦西一盤區(qū)的相鄰工作面，開采3號煤層，平均煤厚6.7 m，平均傾角5°，W1318工作面采用“兩進(jìn)一回”的“Y型+高抽巷”通風(fēng)方式，即布置有膠帶巷、進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)巷(下個工作面的膠帶巷)回風(fēng)，高抽巷布置在內(nèi)錯進(jìn)風(fēng)巷40 m且在煤層頂板上方40 m的巖層內(nèi)，用于抽采裂隙帶瓦斯。W1318工作面在回采過程中，機(jī)頭(膠帶巷側(cè))采用垮落法管理頂板，機(jī)尾(進(jìn)風(fēng)巷側(cè))采用柔模墻沿空留巷。

現(xiàn)W1318工作面已回采完畢，其進(jìn)風(fēng)巷也已沿空留設(shè)完畢。擬將復(fù)用W1318沿空留巷作為開采W1319工作面的一條巷道，通過W1319工作面的工程實(shí)踐論證留巷的二次復(fù)用可靠性，從而驗(yàn)證無煤柱開采的可行性，為高河礦后續(xù)采用無煤柱開采技術(shù)提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為此，提出了W1309工作面的巷道布置方案。

2 W1319工作面巷道布置方案設(shè)計(jì)

根據(jù)高河礦現(xiàn)有水文地質(zhì)條件，通過對W1318工作面的巷道布置方式進(jìn)行調(diào)研和分析，結(jié)合高河礦現(xiàn)有運(yùn)輸及通風(fēng)系統(tǒng)，對W1319工作面提出以下3種巷道布置方案。

2.1 留大煤柱護(hù)巷

W1319工作面留大煤柱護(hù)巷布置如圖1所示。

圖1 W1319工作面留大煤柱護(hù)巷布置

W1319工作面采用留大煤柱護(hù)巷布置方式。其中，將W1318工作面回風(fēng)巷(“Y型”通風(fēng)回風(fēng)通道)和南翼帶式輸送機(jī)大巷相連作為W1319工作面膠帶巷；根據(jù)以往留煤柱護(hù)巷現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，在W1318沿空留巷往南35 m沿底板新掘一條巷道作為W1319工作面進(jìn)風(fēng)巷；將W1318沿空留巷復(fù)用為回風(fēng)巷。由于留設(shè)35 m煤柱，工作面長度為294 m。

2.1.1 通風(fēng)系統(tǒng)

留煤柱護(hù)巷布置方式采用“兩進(jìn)一回”的“Y型”通風(fēng)方式，膠帶巷、進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)，W1318工作面沿空留巷作為W1319工作面回風(fēng)巷，根據(jù)工作面瓦斯含量計(jì)算，工作面配風(fēng)量為3800 m3/min。

2.1.2 運(yùn)輸系統(tǒng)

膠帶巷安設(shè)帶式輸送機(jī)運(yùn)煤，進(jìn)風(fēng)巷作為輔助運(yùn)輸和設(shè)備安裝主要通道，確保瓦斯抽采管路安設(shè)，材料、設(shè)備安裝及更換等。

2.2 傳統(tǒng)無煤柱護(hù)巷

W1319工作面無煤柱護(hù)巷布置如圖2所示。

圖2 W1319工作面?zhèn)鹘y(tǒng)無煤柱護(hù)巷布置

W1319工作面采用無煤柱護(hù)巷方式。其中，將W1318工作面回風(fēng)巷和南翼帶式輸送機(jī)大巷相連作為W1319工作面膠帶巷；將W1318工作面沿空留巷復(fù)用為W1319工作面回風(fēng)巷。由于該巷道布置方式不需要留設(shè)煤柱，工作面長度為334 m，沿空留巷作為回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷道使用。

2.2.1 通風(fēng)系統(tǒng)

采用“一進(jìn)一回”的“U型”通風(fēng)方式，膠帶巷進(jìn)風(fēng)，上一個工作面沿空留巷作為本工作面回風(fēng)巷回風(fēng)，根據(jù)工作面瓦斯含量計(jì)算，工作面配風(fēng)量為3800 m3/min。

2.2.2 運(yùn)輸系統(tǒng)

膠帶巷安設(shè)帶式輸送機(jī)運(yùn)煤，上一個工作面沿空留巷作為本工作面輔助運(yùn)輸和設(shè)備安裝主要通道，保證后期瓦斯抽采管路、材料和主要設(shè)備運(yùn)輸及安裝。

2.3 工作面過空巷新型無煤柱護(hù)巷

W1319工作面W型巷道布置如圖3所示。

圖3 W1319工作面過空巷布置圖

W1319工作面采用W型巷道布置方式。其中，將W1318工作面回風(fēng)巷(“Y型”通風(fēng)回風(fēng)通道)和南翼帶式輸送機(jī)大巷相連作為W1319工作面膠帶巷；將W1318工作面沿空留巷復(fù)用為W1319工作面進(jìn)風(fēng)巷；在W1318沿空留巷往南35m沿底板掘一條巷道作為W1319工作面回風(fēng)巷。

該巷道布置方式沿著工作面中間掘一條巷道作為回風(fēng)巷道，兼做輔助運(yùn)輸巷道使用，工作面在回采過程需要過空巷，無需留煤柱，但需要多掘進(jìn)一條巷道。工作面長度也為334 m。

2.3.1 通風(fēng)系統(tǒng)

采用“兩進(jìn)一回”的“W型”通風(fēng)方式，膠帶巷、沿空留巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)巷回風(fēng)。根據(jù)工作面瓦斯含量計(jì)算，工作面配風(fēng)量為3800 m3/min，其中膠帶巷2600 m3/min，沿空留巷1200 m3/min，現(xiàn)有巷道斷面能夠滿足要求。

2.3.2 運(yùn)輸系統(tǒng)

膠帶巷運(yùn)煤，回風(fēng)巷作為材料、主要設(shè)備安裝更換主要通道，能夠滿足安全生產(chǎn)作業(yè)需要。

3 W1319工作面3種巷道布置方案對比分析

3.1 頂板上覆巖層結(jié)構(gòu)演化規(guī)律分析

留大煤柱護(hù)巷方案中，本工作面回采過后，在煤柱和柔模墻支撐下，沿空留巷上覆巖層結(jié)構(gòu)不會被破壞，如圖4所示。同時，根據(jù)以往留煤柱護(hù)巷現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，巷道受煤柱和煤體保護(hù)，在一定強(qiáng)度的錨桿網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)情況下圍巖變形處于可控范圍之內(nèi)，巷道整體變形較小，安全風(fēng)險(xiǎn)低。

無煤柱護(hù)巷方案中，沿空巷道受二次采動影響，本工作面回過后采空區(qū)側(cè)上覆巖層穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到完全破壞，如圖5所示，造成沿空留巷產(chǎn)生較大變形，安全風(fēng)險(xiǎn)較高，不宜直接投入工程實(shí)踐。

圖4 留煤柱護(hù)巷上覆巖層結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 傳統(tǒng)無煤柱護(hù)巷上覆巖層結(jié)構(gòu)示意圖

W型布置方案中，預(yù)先在工作面中間新掘一條巷道作為回風(fēng)及輔助運(yùn)輸之用，工作面回采時直接推過、不保留，這種情況下沿空巷道在本工作面回采過后上覆巖層結(jié)構(gòu)雖然也遭到破壞，如圖6所示，但是破壞引起的圍巖變形由工作面中間巷道和沿空巷道共同承受，受到一定變形的沿空巷道在采取錨桿(索)聯(lián)合支護(hù)及超前棚加強(qiáng)支護(hù)后，可以作為進(jìn)風(fēng)巷使用，安全風(fēng)險(xiǎn)居中。

圖6 工作面過空巷上覆巖層結(jié)構(gòu)示意圖

因此，從安全風(fēng)險(xiǎn)角度分析，留大煤柱安全風(fēng)險(xiǎn)最低，“W型”布置安全風(fēng)險(xiǎn)居中，無煤柱護(hù)巷圍巖變形較大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

3.2 巷道圍巖控制效果分析

應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，對上述3種方案下的巷道圍巖變形情況進(jìn)行模擬分析。模型尺寸為200 m×270 m×71 m(長×寬×高)，模型頂部為自由邊界，施加10.25 MPa垂直應(yīng)力；兩側(cè)施加水平約束，底部施加垂直約束。采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則描述巖石的破壞，工作面模型和各巖層巖石力學(xué)參數(shù)分別如圖7和表1所示。

圖7 模型三維示意圖

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表

巷道變形模擬結(jié)果如圖8所示。根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，留大煤柱護(hù)巷、工作面過空巷布置和傳統(tǒng)無煤柱布置巷道變形量依次增加。其中，大煤柱護(hù)巷巷道頂?shù)装逡平繛?82 mm，兩幫移近量為298 mm；工作面過空巷布置巷道頂?shù)装逡平繛?42 mm，兩幫移近量為368 mm；傳統(tǒng)無煤柱護(hù)巷巷道頂?shù)装逡平繛?55 mm，兩幫移近量為375 mm。因此，從巷道圍巖控制效果的角度來看，留設(shè)大煤柱巷道最容易維護(hù)，工作面過空巷布置次之，傳統(tǒng)無煤柱巷道最難維護(hù)。

圖8 巷道變形模擬結(jié)果

綜上，為確保方案安全經(jīng)濟(jì)可靠，確定在工程實(shí)踐中采用工作面過空巷巷道布置方案，通過監(jiān)測沿空留巷變形情況，來進(jìn)一步研究無煤柱護(hù)巷的可行性。

4 工程實(shí)踐

在高河能源W1319工作面按照工作面過空巷方案布置巷道，回采過程中重點(diǎn)監(jiān)測巷道表面位移，通過分析巷道圍巖變形為高河煤礦無煤柱開采技術(shù)提供實(shí)踐支撐。

4.1 巷道變形情況分析

在沿空留巷和回風(fēng)巷內(nèi)每間隔5 m布置表面位移測站，每天對巷道頂?shù)装寮皟蓭偷囊平窟M(jìn)行觀測，選取回采進(jìn)尺45～315 m區(qū)間的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果分別如圖9、圖10所示?？梢钥闯?，沿空留巷在推進(jìn)至110 m處頂?shù)装逡平孔畲鬄?47 mm，在推進(jìn)至115 m處兩幫移近量最大為1145 mm，巷道第一次出現(xiàn)錨桿和錨索繃斷、柔模包傾斜和破包、底鼓等現(xiàn)象出現(xiàn)在回采進(jìn)尺120～130 m處。

分析認(rèn)為，工作面過空巷巷道布置方案中沿空留巷受二次采動影響和工作面頂板來壓影響，頂?shù)装遄畲笠平?47 mm，兩幫最大移近量1145 mm，圍巖變形量處于可控范圍之內(nèi)，沿空留巷整體留巷質(zhì)量較好，可以在無煤柱護(hù)巷中復(fù)用。

圖9 W1319進(jìn)風(fēng)巷(沿空留巷)表面位移

圖10 W1319回風(fēng)巷表面位移

4.2 圍巖變形控制措施

根據(jù)礦壓觀測和分析，針對沿空留巷受二次采動影響和周期來壓影響發(fā)生變形情況提出如下控制措施。

(1)調(diào)整超前支護(hù)。根據(jù)巷道圍巖變形情況對超前支護(hù)進(jìn)行調(diào)整。一是縮小沿空留巷超前棚棚距，由0.8 m改為0.6 m；二是加長超前棚距離，由60 m改為100 m；三是在沿空留巷超前棚60 m范圍內(nèi)，由一梁三柱棚改為架設(shè)一梁四柱棚支護(hù)頂板，加強(qiáng)頂板支護(hù)，確保頂板支護(hù)有效。

(2)拉底。受二次采動和工作面周期來壓影響，沿空留巷底板均勻不同程度的底鼓，最大底鼓量150 mm，對于二次復(fù)用沿空留巷，影響運(yùn)輸?shù)膮^(qū)段可適當(dāng)進(jìn)行拉底。

(3)錨桿錨索防護(hù)措施。根據(jù)礦壓觀測情況,在周期來壓過程中,錨桿錨索會發(fā)生崩斷情況,在沿空留巷和回風(fēng)巷頂板采用有效措施，防止錨桿錨索繃斷射出傷人。

(4)補(bǔ)網(wǎng)。在周期來壓過程中,巷道發(fā)生破網(wǎng)現(xiàn)象。在沿空留巷和回風(fēng)巷頂板、煤墻和柔模墻破網(wǎng)處提前補(bǔ)網(wǎng)，在頂板破碎、煤墻墜包、柔模墻變形嚴(yán)重的區(qū)域加補(bǔ)一層金屬網(wǎng)，確保在周期來壓期間無漏頂和片幫現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)高河礦采用工作面過空巷巷道布置方案，沿空留巷圍巖變形整體處于可控范圍之內(nèi)，證明此種形式的新型無煤柱開采在技術(shù)上具有可行性。

(2)基于工作面過空巷巷道布置方式的煤炭開采技術(shù)無需留設(shè)煤柱，提升煤炭資源回收率的同時顯著降低原煤生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)在工作面過空巷巷道布置方案中，針對沿空留巷變形情況，可以采用調(diào)整超前支護(hù)、拉底、捆綁錨索、補(bǔ)網(wǎng)等措施控制巷道圍巖變形，確保安全高效生產(chǎn)。