薄煤层硬顶软底沿空留巷技术研究与应用

马启廷 陈道志 谢文武

（1.滕州郭庄矿业有限责任公司，山东 滕州 277500；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

在我国煤矿开采中留设的区段煤柱大多被遗弃，造成煤炭资源的损失。再加上区段巷道的开掘、准备和维修费用增加了开采成本。因此，研究区段间不留煤柱，可提高煤炭回收率，对实现矿井高效生产和可持续发展具有重要的意义[1]。很多学者对不同开采条件下薄煤层沿空留巷进行了研究[2]，为锦丘煤矿薄煤层沿空留巷提供了理论和技术上的依据。锦丘煤矿在坚硬灰岩顶板和泥岩底板情况下应用沿空留巷技术，少掘一条回采巷道，降低掘进率，减少掘进排矸量，达到了薄煤层安全高效开采的目的。

1 工作面地质概况

锦丘煤矿16111工作面为薄煤层工作面，平均煤厚1.18m，煤层结构简单，倾角0～5°。煤层直接顶为十下灰岩，厚度为3.20～6.7m，平均厚度4.60m，上部有一层泥岩，厚度为1.30～1.50m，平均厚度为1.40m。直接底为砂质泥岩，厚度0.65～6.6m，平均厚度为3.2m。

2 留巷方案设计

沿空留巷巷内采用工字钢架棚支护，如图1所示。工字钢棚顶梁长度为2.3m，棚腿高度为2.2m，棚腿扎角75～85°，棚距1.2m。架棚前，必须把巷道的顶、帮找实，以确保架棚期间的安全。架棚时，棚梁上要用木料接严接实，其厚度不得小于0.1m，棚腿底端必须加工底座，且必须埋到实底。巷旁每隔1.2m支设一长1.2m、宽1.2m、高与工作面机尾采高等高的木垛，木垛上加木板枇，接实顶板，在两木垛间隙用连续木点柱支撑顶板，木点柱要求有一定强度以免强度过低起不到支撑顶板的作用，木点柱直径保证在16mm。

图1 巷内架棚支护断面

3 沿空留巷围岩运动数值模拟研究

掌握沿空留巷覆岩的运动规律，可以有效控制沿空留巷围岩稳定性[3]。锦丘煤矿通过数值模拟的方法分析了沿空留巷覆岩的运动规律和巷道支护的效果。

3.1 模型的建立

以锦丘煤矿16111工作面运输巷道为工程条件，建立薄煤层沿空留巷数值模拟模型。

模型x轴方向的长度为180m，工作面长度120m，y轴方向的长度为80m，z轴方向的高度为50m，煤岩层看作水平，煤层平均厚度1.2m，煤层平均埋深500m。

3.2 巷道围岩应力变化

通过数值模拟分析工作面开挖20～60m围岩塑性区。煤层未开采时巷道两帮的煤体产生部分塑性破坏，这是巷道受掘进的采动影响。工作面推过20m后，巷旁木垛部分和木垛外侧顶板处受到的采动影响较严重，这是由于煤层采出后，采空区上方顶板向下运动造成的。工作面推过20～60m之间，巷道底板和煤体的塑性破坏较为严重，但木垛巷道一侧支承应力低于采空区一侧。工作面推过60m后，巷道受影响程度已经大大降低，说明工作面推过一定距离后，煤体的应力状态已经基本不受前方采动的影响。

3.3 沿空留巷巷旁木垛中心距确定

巷旁支护参数模拟不同巷旁木垛中心距情况下巷道应力和变形，监测点设置同上文一致。模拟方案为：方案一：巷旁木垛中心距4.8m；方案二：巷旁木垛中心距3.6m；方案三：巷旁木垛中心距2.4m。

（1）巷道围岩应力状态变化

对三种方案的巷道围岩塑性区状态进行分析，可以得出：从木垛采空区侧上方顶板的应力状态 变化来看，方案三的切顶能力最强，其次为方案二，最差的是方案一，随着巷旁木垛中心距的减小木垛切顶能力会增强，且底板破坏会减小。

（2） 沿空巷道两帮应力分布

沿空巷道的煤体与木垛两帮承受垂直应力的分布情况见表1所示。

表1 沿空留巷两帮垂直应力分布

由表1可以看出，木垛侧的支承压力远大于煤体侧的支承压力，木垛中心距越小，承受垂直压力越大，木垛侧应力集中系数越高，相对应的煤体承受垂直应力却降低。所以，减小木垛中心距有利于减小巷道煤帮的压力和变形。

（3）巷道顶板移近

图2 木垛侧巷道顶板垂直位移

图3 煤体侧巷道顶板垂直位移

从图2、图3可以看出，顶板下沉以方案一最大，方案三最小，随着木垛中心距的减小，巷道的顶板沉降量会减小。

综上，方案一不能满足安全生产的要求；方案三对巷道围岩的控制效果优于方案二，故选用方案三，也就是用木垛中心距为2.4m作为巷旁支护体进行沿空留巷。

4 沿空留巷工程实践

4.1 试验基本情况

锦丘煤矿在16层煤16111胶带巷软底石灰岩顶板试验沿空留巷。沿空留巷的巷道巷内采用工字钢梯形架棚支护，巷旁采用木垛支护，木垛间距2.4m，留巷高度满足留巷要求，有效地控制了巷道围岩的变形，试验取得了成功。

4.2 经济效益分析

沿空留巷不但可以解决锦丘煤矿采掘接替紧张的局面，降低工人工作强度，避免留煤柱造成应力集中等问题，同时为企业节约了大量资金，创造了巨大的经济效益。

采用沿空留巷可少掘进巷道790m，节约掘进费129.8万元，同时多采出煤炭11954.28t，留一条巷道直接经济效益是854万元。

5 结语

实践表明，与留煤柱护巷相比较，沿空留巷在技术上和经济上都具有很大的优越性，主要表现在：

（1）沿空留巷可以实现无煤柱开采，因而比留煤柱更能提高回采率。在锦丘煤矿沿空留巷与留煤柱护巷相比，一般可使采区回采率提高7.6～15%。

（2）沿空留巷可以较大降低掘进率，缩短采区的准备时间，在锦丘煤矿，沿空留巷一般可使采区巷道的掘进率降低25～30%。

（3）由于沿空留巷处于固定支承压力的免压圈内，巷道维护状况可以得到改善，降低了锦丘煤矿的巷道维护费用。此外，由于彻底取消了煤柱，对改善近距离煤层的巷道维护十分有利。

（4）沿空留巷与沿空掘巷相比，不需要滞后掘进，工作面可及时接替，保证生产顺利进行。因此，沿空留巷的经济效益是显著的。

另外，通过16111工作面胶带巷留巷过程看，该采区顶板属坚硬顶板，同时地质条件较复杂，断层较多，在以后的留巷过程中应适当缩小木垛中心距以加大切顶强度，同时加强矿压监测，预报顶板来压，并确定强化支护范围。