葛磊松，劉燕祥，陳達常,王平，李鵬，任恒

(1.廣西百色百礦集團有限公司，廣西壯族自治區(qū) 百色533000；2.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點實驗室，湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

隨著煤炭資源的日益開采，我國煤炭儲量越來越少，傳統(tǒng)的留設(shè)煤柱開采方式資源回收率較低，造成了大量的資源浪費[1-3].無煤柱開采是一種先進的煤礦開采方法[4-6]，逐步被人們所熟知并接受.目前普遍使用的無煤柱開采方式為切頂卸壓沿空成巷開采技術(shù)[7,8]，并在該領(lǐng)域取得了一些成果.何滿潮[9]針對不同頂板位態(tài)提出了幾種“圍巖結(jié)構(gòu)-巷旁支護體”力學(xué)作用模型，為切頂卸壓沿空成巷的設(shè)計提供了理論依據(jù)；孫曉明[10]通過對薄煤層工作面回采過程中頂板受力狀態(tài)分析，確定了最佳預(yù)裂爆破鉆孔間距；侯公羽[11]通過切頂高度對巷旁支護沿空留巷穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，超前深孔爆破切頂巷旁混凝土沿空留巷技術(shù)提出在較薄直接頂、厚煤層綜放開采條件下是可行的.廣西位于我國西南地區(qū)，煤炭資源較為缺乏，近年以來沿空留巷無煤柱開采技術(shù)在百色百礦集團廣泛推廣應(yīng)用，沿空留巷技術(shù)能夠較好地實現(xiàn)無煤柱護巷[12,13]，在經(jīng)濟效益方面效果顯著，但沿空留巷需要提前安排隊伍掘進工作面兩巷，對于目前招工難用工難,一線人員缺乏的煤礦企業(yè)仍是個不小的壓力，同時提高了人工成本.

百礦集團東懷煤礦沿空成巷技術(shù)研究和實踐直接利用采煤機滾筒切割上出口機尾段煤壁成巷，成巷后作為下一工作面順槽，這樣可以少打巷道，縮減掘進隊伍，提高了效率，節(jié)約了成本，同時也為沿空成巷技術(shù)的探索提供了寶貴的實踐經(jīng)驗.

1 沿空成巷技術(shù)的基本原理

圖1 東懷煤礦軟巖巷道沿空成巷試驗巷道布置

百礦集團東懷煤礦軟巖巷道沿空成巷技術(shù)的研究與應(yīng)用主要是先在采區(qū)掘進巷道圈出一塊待采區(qū)域，切眼斜長大于或者等于兩個工作面切眼斜長，在掘出來的切眼下部安裝一個工作面長度(約150 m)所需數(shù)量的支架，然后進行推采，上出口在采煤機切割后及時進行支護，切割成巷后進行留巷支護處理，采空區(qū)側(cè)打柱支護頂板冒落形成巷道邊幫，沿空成巷后的巷道，作為下一工作面運輸順槽(如圖1所示).

2 沿空成巷的研究應(yīng)用

2.1 東懷煤礦I煤地質(zhì)條件概況

東懷煤礦I煤煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸多，中、上部有泥巖夾矸，夾矸厚0～2.7 m，平均0.7 m.以煤層中、上部的泥巖夾矸為界，將煤層分為上、下兩個分層，上分層命名為I上，下分層命名為I下，上、下分層合并仍稱為I煤.I上分層于井田西北部可采，煤層厚 0.8～1.0 m，平均0.86 m，I下分層煤厚0.83～2.53 m，平均1.74 m.上、下分層煤層合并處煤厚0.80～2.96 m，平均厚度3.0～3.5 m.煤層頂板為泥巖或炭質(zhì)泥巖，直接底板大多為泥巖或砂質(zhì)泥巖，間接底板為厚層狀粉砂巖，細砂巖，煤層傾角10°～16°.

2.2 技術(shù)方案

本研究選取東懷煤礦13I07與13I10工作面中間的未開采區(qū)域斜長共300 m的區(qū)塊進行試驗，即13I08工作面和13I09工作面進行試驗.先掘進13I08回風(fēng)巷、13I09進風(fēng)巷，然后貫通兩巷作為兩個工作面的切眼，然后對13I09工作面進行設(shè)備安裝，再對13I09工作面進行推采，上出口切割后，及時對頂板進行支護，并對成巷巷道進行留巷，采空區(qū)進行切頂放頂處理，推采到10 m距離后，在上出口留巷位置開始使用超前支架，加強頂板支護，成巷巷道全部使用U型鋼和π型梁聯(lián)合加強支護，根據(jù)周期來壓步距確定加強支護距離，確保留巷質(zhì)量和效果.采空區(qū)待頂板完全垮落后，對留巷邊幫進行噴漿處理，防止漏風(fēng).

2.3 沿空成巷的實施步驟和工藝流程

2.3.1 沿空成巷實施步驟

在礦井切出一塊待采區(qū)域(大于等于2個工作面寬度)→推采一個工作面后對工作面上出口進行支護留巷→切頂放頂采空區(qū)→采空區(qū)冒落充分→成巷.

2.3.2 沿空成巷的工藝流程

1)工作面的圈定：選取未開采區(qū)域約兩個工作面斜長共300 m的區(qū)塊(每個工作面長150 m)，即13I08和13I09工作面進行試驗，先掘進13I09回風(fēng)巷、13I08進風(fēng)巷和貫通兩巷作為切眼.

2)工作面支架的安裝：先安裝13I09工作面，工作面斜長150 m，只安裝98個支架，機尾段剩余2個支架不進行安裝，留空位進行沿空成巷以及超前支架的安設(shè).

3)切割、沿空成巷：切割工作面機尾后，及時對機尾頂板進行支護，支護分為臨時性支護、永久性支護和沿空成巷加強支護3種形式，組成聯(lián)合支護模式.

支護工藝流程：采煤機切割機尾成巷→超前支架臨時支護→打頂錨桿→打邊幫錨桿→掛網(wǎng)支護→打錨索支護→打中間單體柱配π型梁切頂支護→打U型鋼支柱卡π型梁端頭(迎山角5°～10°)、壓網(wǎng)擋采空區(qū)矸石→打加強單體柱配鉸接頂梁支護→打錨桿鎖π型梁頭→超20 m回收加強單體柱→超40 m回收中間單體柱→成巷.

2.4 沿空成巷技術(shù)數(shù)值模擬

2.4.1 模型的建立

為了分析沿空成巷技術(shù)時的圍巖變形特征和圍巖應(yīng)力分布，根據(jù)13I08和13I09工作面現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D建立數(shù)值計算模型，建立的數(shù)值模型如圖2所示.

圖2 數(shù)值計算模型

模型尺寸為80 m×10 m×60 m (長×寬×高) ,底部固定,四周限制水平位移,模型上部為自由邊界,施加20.7 MPa的載荷,模擬上覆巖層重量.材料采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型,各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)表

2.4.2 數(shù)值模擬分析

由圖3可以看出，煤層采出后在側(cè)向?qū)嶓w煤內(nèi)產(chǎn)生了應(yīng)力集中，應(yīng)力集中峰值為26.7 MPa，并在巷道臨采空區(qū)側(cè)產(chǎn)生了一定的卸壓區(qū)；由圖4可以看出，煤層采出后巷道頂板下沉量150 mm左右，采空區(qū)側(cè)基本頂巖塊沿切縫面基本順利垮落.綜上，沿空成巷技術(shù)東懷煤礦13I07與13I10工作面具有可行性，實施時應(yīng)對應(yīng)力集中側(cè)加強支護.

2.5 沿空成巷的支護設(shè)計

設(shè)計沿空成巷規(guī)格：寬×高 (4 m×3 m).

2.5.1 沿空成巷臨時加強支護

鑒于東懷煤礦頂板泥巖抗壓強度較低，機尾段沿空成巷必須要對頂板進行臨時加強支護，因留巷條件限制，無法使用傳統(tǒng)的液壓支架進行頂板支護，因此該段巷道選用ZT-3200/15/30型超前支架進行支護.

沿空成巷超前支架的使用主要基于西南百色地區(qū)軟巖巷道頂板較為破碎考慮，在機尾預(yù)留空位地方使用2副超前支架進行臨時支護，可以有效地控制機尾頂板，確保安全(臨時支護示意圖如圖5所示).

圖3 垂直應(yīng)力

圖4 垂直位移

圖5 沿空成巷臨時支護

2.5.2 采煤機切割成巷后永久支護

圖6 沿空成巷永久性支護

東懷煤礦I煤頂板煤層直接頂板為泥巖，平均厚3.40 m，局部見炭質(zhì)泥巖或細砂巖偽頂一層，厚0.00～0.50 m.抗壓強度：泥巖10.1～31.5 MPa，炭質(zhì)泥巖64.0～114.6 MPa，平均73.05 MPa.頂板圍巖的抗壓強度比較低，屬于不穩(wěn)定巖層.所以頂板支護確定使用錨網(wǎng)支護+錨索支護方式(具體參數(shù)如圖6所示).

1)錨網(wǎng)支護.錨桿規(guī)格：Φ20 mm×2 000 mm，錨網(wǎng)支護規(guī)格：800 mm×800 mm，其中碳墻側(cè)邊幫打3根錨桿，頂板打5根錨桿，錨網(wǎng)搭接200 mm.

2)錨索支護.錨索規(guī)格：Φ21.5 mm×6 000 mm，錨索間距1 600 mm，錨索排距2 400 mm.

圖7 沿空成巷內(nèi)加強支護

3)采空區(qū)側(cè)支護方式：采空區(qū)側(cè)主要是利用菱形網(wǎng)配合U型鋼支架柱腿壓網(wǎng)，阻擋矸石，等頂板切頂垮落完全后形成矸石墻，然后對該側(cè)進行噴漿粘結(jié)，達到支護、防漏風(fēng)目的.

2.5.3 沿空成巷內(nèi)加強支護

沿空成巷內(nèi)加強支護主要基于軟巖巷道沿空留巷聯(lián)合支護技術(shù)[5]，主要是利用U型鋼金屬支柱+π型梁+錨桿形成聯(lián)合支護模式，從而對沿空成巷巷道的頂板和邊幫形成有效的支護，如圖7所示.根據(jù)東懷煤礦礦壓觀測數(shù)據(jù)，工作面初次來壓距26.5 m，周期來壓距為19～21 m，平均20.62 m；超前影響范圍在工作面前方60～70 m，超前支承壓力高峰區(qū)在煤壁前方10～20 m范圍內(nèi).因此，沿空留巷內(nèi)加強支護參照超前支護模式，在20 m范圍內(nèi)，采用雙排單柱加強支護模式，40 m范圍內(nèi)，采用單排單柱加強支護模式，超過以上距離后，開始逐步對單柱進行回收循環(huán)利用.

1)聯(lián)合支護：采用U型鋼支柱+π型梁+錨桿支護模式，其中U型鋼支柱主要起到支撐以及檔矸石和攔網(wǎng)作用，π型梁起到切頂作用，鎖住π型梁的錨桿起到懸吊作用，形成聯(lián)合支護整體.聯(lián)合支護排距為500 mm.

2)單、雙排支護：即加強單體柱(20 m范圍)+中間單體柱(40 m范圍)，加強單體柱超過20 m范圍即進行回收，中間單體柱超過40 m范圍即進行回收.

2.6 沿空成巷的通風(fēng)方式

2.6.1 沿空成巷的通風(fēng)方式

圖8 軟巖巷道沿空成巷通風(fēng)

采用“Z”型通風(fēng)方式，具體風(fēng)流走向：13I09進風(fēng)巷→13I09工作面→13I09回風(fēng)巷(沿空成巷)→13I08切眼→13I08回風(fēng)巷.在工作面內(nèi)風(fēng)流走形為“Z”型走向流動，在兩個工作面整體的風(fēng)流為“U”型通風(fēng)方式(詳情如圖8所示).

2.6.2 沿空成巷防自燃發(fā)火采取的措施

沿空成巷后，待采空區(qū)側(cè)頂板冒落完全形成邊幫，再對已經(jīng)成巷的采空區(qū)側(cè)留巷邊幫進行及時噴漿，防止風(fēng)流竄進采空區(qū)導(dǎo)致采空區(qū)煤炭自燃，同時，減少采空區(qū)熱量發(fā)散到留巷巷道，改善作業(yè)環(huán)境.

2.7 存在問題和解決辦法

2.7.1 方案實施中存在的問題

1)普通刮板機機尾為抬高槽，采煤機在機尾段割不到巷道底板，導(dǎo)致機尾段浮渣多，需要人工降底、清理.

2)超前支架梁長度不足，無法伸到煤壁，形成有效的超前支護.

2.7.2 解決辦法

1)采煤機機尾無法割底問題：首先，在刮板機機尾槽的齒軌邊上加焊兩個齒軌座，加長兩條齒軌，共長0.75 m；其次在刮板機機尾槽跟過渡槽煤壁端，分別焊上兩塊長為0.75 m、寬為0.35 m、厚度為40 mm的鐵板，用于采煤機平板滑靴的行走，從而解決刮板機上行走軌道的限制，保證采煤機滾筒能割到底板.

2)超前支架梁長度不足問題：首先，將超前支架的頂梁前端割斷，在利用方鋼、鋼板等材料加工制造成一節(jié)(長1 m，寬0.4 m，高0.3 m)頂梁，將加工好的頂梁插入至超前支架的頂梁內(nèi)部.最后利用兩條液壓千斤頂移動調(diào)整加工頂梁的伸縮量，實現(xiàn)頂板的安全支護.經(jīng)改造后，超前支架的頂梁可以延長1 m，并于2017年11月在13I09工作面成功使用，實現(xiàn)了對頂板的安全支護，同時利用液壓千斤頂可以隨便調(diào)整頂梁的長度，具有加大的靈活性.

2.8 試驗成果分析

1)成巷成果：本試驗通過對東懷13I09回風(fēng)巷進行沿空成巷實踐，成功成巷并留巷865 m，實現(xiàn)了對13I09回風(fēng)巷的整體成巷并留巷的目的(詳見圖9).

圖9 成巷效果

2)沿空成巷經(jīng)濟效益

(a)可多采30 m煤柱效益：(865 m×30 m×3 m)×1.5 t/m3×350元/ t=4 087萬元；

(b)聯(lián)合支護成本：4 000元/ m×865 m=346萬元；(U型鋼、包箍、π型梁、錨桿、錨網(wǎng)、錨索、K2335樹脂、人工等合計約4 000元/m).

(c)巷道維護成本：120萬元；

經(jīng)濟效益=a-b-c=3 621萬元.

3 結(jié)論

1)提出了聯(lián)合支護切頂成巷技術(shù)，能有效地減小圍巖變形.

2)相對傳統(tǒng)的“110”工法，沿空留巷技術(shù)一方面可以大幅降低綜采工作面掘進成本，另一方面無煤柱開采大大提高了資源回收率.

3)對刮板機及超前支架的改造，可以為一般的綜采工作面進行沿空成巷解決設(shè)備上不配套的難題，使其適合復(fù)雜多變的南方地質(zhì)條件變化，為南方軟巖條件礦井高效開采煤礦資源提供新思路、新方法，促進南方礦井回采工藝水平的提高.

4)沿空成巷技術(shù)在東懷煤礦的成功應(yīng)用，是在沿空留巷技術(shù)上的大膽創(chuàng)新，對于西南地區(qū)煤炭缺乏有重要意義，是對無煤柱開采技術(shù)的又一次技術(shù)上的革新.