王蘇健，王翔宇，劉效賢，錢萬學，蔚保寧

(1.陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710065；2.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯合工程研究中心，陜西 西安 710065；3.陜西煤業(yè)化工集團有限責任公司 韓城礦業(yè)公司，陜西 韓城 715400；4.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司 象山礦井，陜西 韓城 715400)

為減少留設煤柱造成的資源浪費、沖擊地壓、瓦斯突出等井下開采的安全隱患，韓城礦區(qū)象山礦近年來在無煤柱沿空留巷技術上展開了多種嘗試，歷經柔模充填、鋼模充填、模箱充填等多種巷旁充填方式進行沿空留巷，近幾年也進行了切頂卸壓沿空留巷技術探索與研究，沒有達到預期效果。

試驗區(qū)煤炭地質條件較差，屬于三軟煤層，存在巷道底鼓嚴重、支護難度大、支護成本高、工人勞動強度大、單體損壞率高等問題，無煤柱沿空留巷工藝造成留巷巷道主幫(采空區(qū)側)漏風，井下單體液壓支柱及其他中小型設備主要依靠人工搬運，現有圍巖控制技術與裝備體系已經成為制約其進一步發(fā)展的瓶頸。需要開發(fā)一種新的無煤柱開采方式提升經濟效益，保障井下開采的高效性、安全性[1-3]。

1 地質條件

象山礦21311綜采工作面屬3#煤層，工作面采用綜采一次采全高走向長壁采煤法，全部垮落法管理頂板。巷道沿煤層走向布置，主進風巷與21310輔助進風巷共用一條進風巷。工作面走向長度(平均)1309.2m，傾向寬度205m。

輔助進風巷長度1205m，矩形斷面，凈寬：4.4m，凈高：2.55m，凈斷面：11.22m2。頂板采用錨網索聯合支護；煤幫采用?22mm×2500mm或?22mm×3500mm全長自鞏錨桿支護；頂部和副幫鋪設冷拔絲網，正幫鋪設菱形網。21311輔助進風巷巷道原支護方案如圖2所示。

圖1 21311綜采工作面地層綜合柱狀圖

圖2 21311輔助進風巷巷道原支護方案(mm)

2 沿空留巷主控因素研究

無煤柱切頂沿空留巷是沿采空區(qū)頂板布置一排爆破孔，通過定向爆破的方式將頂板切斷，加速采空區(qū)上覆巖層的垮落，釋放頂板壓力。頂板穩(wěn)定性主要有兩個主控因素，一是切頂高度范圍外的基本頂巖層所組成的頂板“大結構”結構形態(tài)；二是切頂高度范圍內具有承載作用的“短懸臂梁”小結構穩(wěn)定性。控制巷道圍巖穩(wěn)定，需要構建高強度、高支承力的“短懸臂梁”小結構，對巷內支護體強度提出較高要求。象山礦無煤柱沿空留巷結構模型如圖3所示。

圖3 象山礦無煤柱沿空留巷結構模型

2.1 沿空留巷專用單體

象山礦現使用單體易生銹、支柱內腔乳化液易發(fā)生油水分離，支柱密封件、彈簧長期處于高承壓狀態(tài)，使密封、彈簧老化失效；支柱底座易脫落、損壞。支柱現場使用損耗量大，投入成本高，應用效果差[4-6]。為解決象山礦井下單體液壓支柱存在的問題，取消單體內置復位彈簧，底座與油缸直接焊接，針對伸縮活柱加裝防塵保護套。

沿空留巷專用單體具有維護周期長，防腐性能好、支承阻力大等特點，該單體液壓支柱維護周期為18個月，支承阻力約350～400kN，完全滿足象山礦沿空留巷的支護和采掘接續(xù)要求。

2.2 留巷方案及補強支護設計

在21311輔助進風巷超前20m主幫(靠近煤體)側距工作面500mm，間隔500mm，與頂板垂線夾角75°，施工6m深預裂爆破孔，具體布置方案如圖6所示。裝藥結構選用“3+0+2+0+1”炸藥采用三號煤礦許用乳化炸藥，直徑?32mm×200mm/卷，封孔長度1～1.5m，采用黃泥封實[7]。

針對工作面超前巷道，在錨網索支護的基礎上[8-10]，用“短π型梁+沿空留巷專用單體+高強大柱鞋”進行超前支護，工作面滯后留巷巷道采用“π型梁+沿空留巷專用單體”一梁三柱的支護方式，留巷巷道主幫(采空區(qū)側)采用“鐵絲網+硅錳鋼管”的擋矸方式進行擋矸支護，留巷巷道頂板巖層穩(wěn)定后，采用“隔一拆一”的方式進行沿空留巷專用單體的回收。頂板布置5根?20mm×2400mm錨桿，3根?21.8mm×8000mm錨索，副幫在2.6m鋼帶上布置2根?22mm×3500mm全場自攻固錨桿，兩根?20mm×2400mm螺紋鋼錨桿，具體施工方案如圖4所示。

圖4 沿空留巷支護參數(mm)

2.3 沿空巷道快速運輸裝置

象山礦21311沿空留巷工作面后巷受一次采動和二次采動影響較嚴重，巷道底鼓量最大可達1.2～1.5m，為了避免底鼓對井下運輸軌道的影響、降低工人勞動強度，使用“氣動單軌吊+貨箱”的運輸方式。

氣動單軌吊車是在懸空軌道上，以氣動馬達經減速機構減速后帶動行走輪沿軌道摩擦行走的設備。該單軌吊車由軌道、主牽引裝置、安全制動裝置、承載車、控制系統(tǒng)等部分組成。每節(jié)軌道由I140E工字鋼及鏈條、卸扣組成。主牽引裝置由氣馬達、減速箱等部分組成。減速箱的輸出端與驅動輪連接，行走輪與軌道腹板貼合，靠摩擦傳動。該設備主要用于沿空留巷巷道單體及中小設備的運輸。

3 采空區(qū)封閉

針對象山礦21311綜采工作面無煤柱沿空留巷工藝，在沿空巷道主幫肩角處，出現瓦斯?jié)舛瘸蕃F象，因此，提出沿空留巷采空區(qū)后巷采用薄噴層封閉技術，提高采空區(qū)封閉性，防止漏風現象的發(fā)生，進一步提高沿空留巷安全保障技術[11]。

21311綜采工作面沿空留巷表面封堵防護技術，先采用打底材料進行表面噴涂找平封閉，然后采用高韌性薄噴材料進行表面封閉防護，新型薄噴防護材料為無機柔性噴涂材料，由A、B兩組份組成，使用比例為重量比2∶1。其中A組分為特種水性樹脂膠乳，用塑料桶包裝，每桶重量為25kg；B組分為各種礦物粉體材料，采用防潮密封袋包裝，每袋25kg。打底材料材料為各種礦物粉體復合材料，采用防潮密封袋包裝，每袋25kg，與水直接混合，水灰比為0.23左右，主要有以下特性：無機復合材料，無任何揮發(fā)性有害物質(符合環(huán)保要求)；拉伸強度高，變形大，粘結性強，硬化快，密封性優(yōu)；反應溫度低，小于30℃；絕對阻燃抗靜電(煤安標準MT 113—1995)。

21311綜采工作面沿空留巷尾巷，首先采用打底材料進行打底封閉，其后，采用高韌性薄噴材料進行表面封堵防護。由于尾巷個別局部有塌落小型空洞出現，打底厚度根據現場條件施工，10～20mm即可，其后采用高韌性薄噴材料表面防護5mm左右即可。

打底材料使用量按照20kg/m2，則每米巷道需要60kg；薄噴材料按照8kg/m2使用量，則每米巷道需要24kg。

4 礦壓監(jiān)測方案及礦壓規(guī)律分析

為研究切頂沿空留巷采動對嚴控航道的影響，針對象山礦21311輔助進風巷切頂沿空留巷進行了現場礦壓監(jiān)測分析，具體測站布置方案如下[12-15]。

超前工作面30m布置第一個測站，共設置12個測站，測站布置如圖5所示。觀測內容包括巷道圍巖表面位移及深部位移、沿空留巷專用單體液壓支柱受力。

經過現場實測，21311輔助進風巷受切頂留巷及采動影響可總結為四個部分分析巷道變形及來壓規(guī)律，既超前影響段、采動影響段、穩(wěn)定階段及回柱階段。

由于切頂沿空留巷工藝影響，距采空區(qū)500mm切頂，采空區(qū)巷道幫部與超前巷道幫部移近量差距較大，所以分超前和滯后兩部分對幫部移近量進行分析。

4.1 超前影響段監(jiān)測結果

以距工作面最遠的11#、12#測站為例，兩測站數據能反應超前240m范圍內巷道表面移近量及礦壓顯現規(guī)律，測站超前階段頂底板、幫部移近量如圖6、圖7所示。從圖6、圖7可知超前150m范圍內，可分為兩個部分，距工作面150～30m范圍內，工作面開采幾乎對巷道無影響，頂板和幫部分僅有微量移近現象，頂底板平均移近量在2～50mm，12個測站數據中，最大移近量為65mm，最小移近量不足20mm。幫部幾乎無變形，平均移近量約10～25mm。距工作面30m范圍內，巷道圍巖受采動影響，圍巖變形率急劇增加，工作面開采超前應力集中影響顯現，頂底板下沉量和幫部移近量增加，平均頂底板移近量10～150mm，巷道幫部移近50～70mm。

圖6 11#、12#測站超前階段頂底板移近量

圖7 11#、12#測站超前階段幫部移近量

綜上，工作面超前段150m范圍內，巷道表面位移變化較小，工作面超前30m范圍為采動影響區(qū)域，需加強支護。

4.2 采動影響區(qū)監(jiān)測結果

為更準確分析工作面采動影響范圍，綜合12個測站數據，對3#—5#測站進行了工作面滯后100m范圍內巷道表面變形量的數據分析，如圖8所示。由圖8可以看出，工作面超前影程度遠小于工作面滯后。工作面滯后5～30m范圍內是采動影響最為劇烈區(qū)域，頂底板移近量為100～150mm，工作面滯后30m后，采空區(qū)頂底板進入較為穩(wěn)定區(qū)域。

圖8 3#、4#、5#測站頂底板移近量

綜上可知，采動影響在工作面前后60m范圍內，滯后工作面30m以后巷道頂底板進入較為穩(wěn)定區(qū)域。

4.3 采空穩(wěn)定區(qū)監(jiān)測結果

對進入采空區(qū)的測站進行了單體活注移近量的監(jiān)測，更能精確反映頂底板移近量。針對2#、3#測站進行進入采空區(qū)后巷道頂底板表面移近量的分析，如圖9所示。由圖9可以看出，單體活柱在進入采空區(qū)80m范圍內再次收縮，下降50～70mm，隨后收縮速率減小并趨于平緩，巷道完全進入穩(wěn)定區(qū)域，周移近量不足2mm。

圖9 2#、3#測站頂底板移近量

綜上，工作面滯后80～120m為巷道表面圍巖緩慢收縮區(qū)域，120m以后完全進入采空區(qū)穩(wěn)定區(qū)域，單體或注周收縮量2mm范圍內則可視為巷道趨于穩(wěn)定。

4.4 單體回柱階段監(jiān)測結果

工作面滯后200m的單體支柱采用“隔一拆一”的方式進行回收，單體回收后，測站附近頂底板有微小移近量，選取1#、2#測站回柱時活柱移近量曲線進行分析。如圖10所示，單體支柱回收后10～15m范圍內，頂底板移近量有微小變形，變形量不足5mm，隨后巷道進入穩(wěn)定區(qū)域，月活柱收縮量量不足1mm。由此看出，活柱回柱時，留巷巷道始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 1#、2#測站回柱影響區(qū)

4.5 工作面滯后巷道寬度分析

由于使用切頂沿空留巷的留巷工藝，切頂后巷道寬度普遍移近500mm左右，所以在此只分析工作面滯后的巷道寬度變化，具體如圖11所示。

圖11 1#、2#測站附近巷道幫部移近量

由圖11可知，分析1#、2#測站切頂后巷幫移近量，切頂后巷道幫部移近量較小，在滯后0～50m范圍內為采動影響區(qū)，巷幫移近量增加速率較快，移近量在150mm左右，隨后120m范圍進入穩(wěn)定區(qū)，移近量約為50mm，巷幫總移近量為200mm。

4.6 單體支柱受載變化規(guī)律

本項目單體壓力監(jiān)測通過對超前30m至滯后工作面100m范圍的留巷進行，單體壓力表從工作面超前30m開始，每間隔10m布置，共布置15個，以下選取1#、2#測站分析工作面超前及滯后壓力分布規(guī)律，如圖12所示。

圖12 1#、2 #測站單體壓力

由圖12可知，工作面超前30～25m時，超前單體壓力較為穩(wěn)定，壓力值為15MPa左右，超前25m至滯后5m時，單體支柱壓力急劇上升，峰值達到40MPa，滯后5m至滯后20m范圍內，工作面采動對單體壓力影響迅速減小，采空區(qū)頂板垮落逐步壓實，滯后20m之后，單體壓力進入穩(wěn)定區(qū)域。

綜上，采動對單體影響范圍為工作面超前及滯后前后50m范圍內，靠近工作面時單體壓力驟增、驟降，頂板活動劇烈，該階段內加強支護，保證頂板穩(wěn)定性。

5 沿空留巷圍巖控制效果分析

21310主進風巷亦使用切頂沿空留巷工藝進行留巷，其后巷支護未使用沿空留巷專用單體。與21310主進風巷切頂沿空留巷效果相比較，21311輔助運輸巷頂底板、幫部得到較好的控制，工作面前后200m范圍內，頂底板總移近量為280mm，幫部總移近量為200mm，較21310主進風巷頂底板移近量減少90mm，幫部減少150mm。

圖13 新老沿空留巷質量對比

21311輔助進風巷后巷支護使用新型單體，支護效果較21310主進風巷有明顯提高，單體應力明顯減小，巷道斷面較為完整。新老沿空留巷切頂時應力峰值無較大差異，后巷穩(wěn)定后，21311輔助進風巷留巷中部單體平均應力較之前有明顯減小，新老沿空留單體受力情況如圖14所示。

圖14 新老沿空留單體受力情況

6 結 論

1)針對三軟煤層工作面沿空留巷巷道底板底鼓嚴重，提出了“π型梁+沿空留巷專用單體+高強柱鞋”的支護方式，有效控制三軟煤層底鼓；

2)在21311輔助進風巷使用“氣動單軌吊+運輸貨箱”的方式主要對單體及井下中小型設備進行快速運輸，大大降低井下勞動強度，提高工作效率；

3)開發(fā)了“打底找平+柔性表面噴涂”為一體的沿空留巷專用封閉技術與工藝材料，有效解決了三軟煤層沿空留巷采空區(qū)封閉問題。

4)受切頂工藝影響，巷道圍巖變行可分為四個階段：超前工作面30m及滯后30m范圍為采動影響劇烈區(qū)，30～80m區(qū)域為初次穩(wěn)定區(qū)域，80～120m受到來壓影響為微變形區(qū)，滯后120m后為穩(wěn)定區(qū)。

5)通過對工作面超前、滯后單體支柱壓力的研究發(fā)現，象山礦21311工作面前后20m范圍為單體受壓劇烈區(qū)域，單體壓力峰值約40MPa，其余時段單體壓力都保持在10～8MPa之間，較為穩(wěn)定。