沿空留巷技术探析及应用

孙永宁

(枣庄王晁煤矿有限责任公司,山东枣庄 277518)

沿空留巷技术探析及应用

孙永宁

(枣庄王晁煤矿有限责任公司,山东枣庄 277518)

本文通过对比沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷以及沿空留巷三种不同的回采巷道布置形式,将影响巷道顶板稳定的各主要因素进行了深入分析,在实际工程中通过对沿空留巷巷道支护技术的逐步改进,探索摸索出了一些定性的结论,提高了沿空留巷在矿井实际应用中的可靠性。

围岩 沿空留巷 顶板管理 支护形式

为了回收传统采煤方法中留设的煤柱，采用一定的措施将上一区段的巷道留给下一个区段使用，以减少巷道掘进，最大限度的回收煤炭资源，不仅使矿井可以有效的缓解接续压力，而且对提高企业综合效益和延长矿井服务年限具有广泛意义。

1 沿空掘巷的围岩应力与变形

工作面沿煤体倾斜方向从采空区边缘向煤体深部可分为3个不同的矿压显现区(图1所示)。

1.1 采空区边缘卸载区

在采场围岩受采动引起应力重新分布过程中，采空区边缘处煤体一般会产生较大的变形和破坏，煤体承载能力降低，形成原岩应力低的卸载区，其宽度一般为1～3m。

1.2 支撑压力显现区

采空区边缘煤体受采动影响后已基本失去承载能力，上覆岩层支撑压力向煤体深部转移，从而形成沿倾斜方向的支撑压力显现区，该区影响范围自煤体边缘起算一般为15～30m，其中支承压力峰值距煤体边缘L0max与煤层坚固系数f0、直接顶板岩石单向抗压强度Rc、开采深度H、煤层厚度M及煤层倾角a大小有关，一般为10～20m。

1.3 原岩应力区

在支承压力达到峰值以后，随远离煤体边缘，支承压力影响逐渐减弱，直至煤体内部一定距离转入原岩应力状态。

沿空掘巷巷道位于采空区边缘煤体卸载区，因而压力很小，从受力角度来说十分有利于巷道维护。

2 留窄煤柱沿空掘巷的围岩应力与变形

2.1 当留设的煤柱宽度为1～3m时,巷道位于应力降低区内

掘巷后，由于窄煤柱基本被压垮而卸载，引起支承压力重新分布，结果可近似认为支承压力分布曲线向煤体深部转移了一段距离。(如图2所示)。

2.2 当煤柱宽度为3～5m时,巷道部分或全部处于应力增高区

掘巷后，在煤柱和巷道支护共同作用下支承压力重新分布呈现如图3所示情形。

图1 沿煤层倾斜采空区侧翼煤体的矿压显现

由以上分析可知，无论采用大煤柱还是小煤柱沿空掘巷，回采巷道都处在采场三维应力场范围附近，煤柱宽度的改变不仅使煤体边缘应力状态发生变化，而且使巷道围岩力学的状态及变形也有所改变，也就势必会影响到巷道围岩的稳定性。由此可见，留窄煤柱护巷沿空掘巷实际上不利于巷道的维护，而且布置巷道时，若煤柱过小，由于靠采空侧的煤柱受支承力的影响已呈塑形，容易失稳，片帮严重；若煤柱过大，则回采巷道布置在压力增高区内，将使巷道压力大，支护困难。

3 沿空留巷的围岩应力与变形

沿空留巷也为无煤柱护巷，但其围岩应力与变形与沿空掘巷相差很大。沿空留巷从掘进到报废在整个服务期间围岩变形大致经历七个阶段：第Ⅰ阶段—巷道掘进期间的围岩变形；第Ⅱ阶段—掘巷稳定后的围岩流变变形；第Ⅲ阶段—在上区段工作面超前支承压力作用影响引起的围岩变形；第Ⅳ阶段—工作面后方基本顶岩梁断裂后回转下沉显著运动引起的巷道围岩变形；第Ⅴ阶段—在老顶触矸后，随着采空区矸石压实的过程中引起的围岩变形；第Ⅵ阶段—上工作面回采引起的顶板活动，围岩将保持一定的流变变形；第Ⅶ阶段—受本工作面超前支承压力作用影响引起的巷道围岩变形。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ、Ⅶ三个阶段的围岩应力和变形规律与沿空掘巷巷道相似，主要区别在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三个阶段。因此，回采引起的采空区岩石移动是影响沿空留巷围岩应力与变形的主要因素。

以上分析可知，留小煤柱的目的是将巷道与采空区隔离，防止采空区的水与有害气体串入巷道，危及安全生产，但大小不同的煤柱都存在着不同程度的漏风现象，实际上这种护巷煤柱并不能起到隔离采空区有害气体、水等的作用，相反由于窄煤柱在掘进和回采动压作用下煤体会发生进一步受压而破裂，甚至破碎或坍塌，增大其透气性，形成连续漏风和为采空区提供供氧条件，导致自然发火。

图2 留窄煤柱(1～3m)沿空掘巷应力重新分布示意图1—掘巷前;2—掘巷后

图3 留窄煤柱(3～5m)沿空掘巷应力重新分布示意图1—掘巷前;2—掘巷后

4 沿空留巷的地质技术经济适应性分析

4.1 直接顶板岩性

目前除大面积悬露的坚硬难冒落顶板外，沿空留巷对于各种顶板条件具有广泛的适应性，可适用于中等稳定顶板、易冒落、中等冒落程度和缓慢下沉顶板条件。

4.2 底板条件

除底板很软会对沿空留巷造成很大困难外，一般底板条件均不构成制约因素。

4.3 煤层厚度和倾角

煤层厚度和煤层倾角的增大，沿空留巷的维护难度增大，目前，沿空留巷一般适用于倾角14°以下，顶板较易冒落的薄煤层及厚度在2m以下的中厚煤层。

4.4 经济效益

沿空留巷彻底取消了区段煤柱，可使采区煤炭回收率提高10-15%；掘进率降低25-33%，减少了巷道掘进工程量和掘进费用；煤层顶板压力充分释放，顶板长期处于采空区边缘的低压区，有利于巷道维护，降低了巷道维护成本。

因此，沿空留巷与沿空掘巷相比具有更优越的经济效益和安全效益。

5 沿空留巷的应用

5.1 矿井地质概况

枣庄王晁煤矿井田内地质构造复杂程度中等，该矿现开采12下煤层，均厚1.25m，其顶板岩性以泥岩为主，均厚2.8m，粉砂岩次之，均厚5.4m，中等冒落顶板；底板直接底为第八层灰岩，均厚2.1m。根据12下煤回采期间的矿压观测，工作面后方0-40米范围内沿空侧顶板压较强烈，一般情况下，工作面后方10-20米处留巷的顶板下沉量最大，50-60米处以外顶板下沉趋于稳定。

5.2 巷道支护方式及材料的选择

5.2.1 掘进期间巷道受采动影响的围岩控制

王晁煤矿12下煤回采巷道均沿煤层底板掘进。巷道支护方式为锚网梁+锚索联合支护方式，锚索使巷道围岩的自我承载能力及抵抗顶板形能力得到提高，同时提高巷帮煤体的支承力，以便减小留巷期间巷旁切顶阻力。

为便于沿空留巷时巷道维护等工作，巷道设计为矩形断面，顶帮均用经纬网满护。巷道采用EBJ—120TP型综掘机开掘，顶板采用Φ18×1800mm螺纹钢锚杆支护，间排距为800×1000mm，锚索沿巷道中心线两侧布置，间排距为1500×3000mm，锚索梁采用1.7米11#工字钢制作。

5.2.2 回采期间巷道受采动影响的围岩控制

沿空留巷时采用单体液压支柱配合工字钢棚支护，沿空留巷紧跟工作面端头支架进行。钢棚采用11#工字钢加工，棚梁长为3.0米，两端0.1米处分别焊一个防滑板，棚腿长为2.1米。在平行于工作面末排位置的留巷巷道支设棚腿，挂竹笆挡矸，背板木楔腰帮，并在金属棚靠采空区一侧支设双排密集支柱，防止了采空区破碎矸石窜入留巷段巷道，棚距设为1米。棚梁上接顶及腰帮的木料，其厚度不得小于100mm。

5.3 回采期间采空区管理

工作面采用全部垮落法管理顶板。采空区冒落高度为1.5倍采高左右；当局部悬顶或冒落不充分面积小于2×5m2时，采用打密集柱和戗柱加强切顶管理；大于2×5m2时，采用打戗棚、木垛、密集柱加强切顶管理；大面积悬顶不落时，进行人工强制放顶。

5.4 支护效果

巷道支护采用锚网梁+锚索联合支护方式与单纯使用工字钢棚支护在相同生产地质条件下相比，顶板下沉量50-150mm，两帮位移量50-200mm，分别减少了22.2%和39.6%，所留巷道经过简单修复完全能够满足另一工作面使用。

6 结语

改善采区巷道受压变形，除了应用加强巷道支护强度的方法以外，采用合理的矿压控制手段减轻巷道受压，充分利用围岩本身的自稳能力，迫使巷道载荷转移，达到减轻受压的目的；同时加强巷道顶板控制技术的设计和革新，是改善矿井安全生产条件和技术经济效果的重要途径，具有深远的经济和社会效益。

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