中厚煤层巷旁充填沿空留巷开采技术研究

王现军

（山西西山煤电集团屯兰矿 ，山西 太原 030052）

0 引言

随着我国自动化采煤设备和技术的发展，煤炭的生产效率和采出率逐年提升。以往开采技术中，对于部分高瓦斯矿井，为提高其通风、运输和排水能力，往往采用留煤柱护巷方式，即在上区段运输平巷和下区段回风平巷之间留设一定宽度的煤柱，从而一方面作为本区段的主回风巷使用，另一方面使下区段平巷有效避开支撑压力峰值区。但留煤柱护巷的煤炭损失率高达20%左右，且所留巷道的维护费用较高，底板稳定性较差，因此逐渐被沿空留巷开采方式所取代。

1 沿空留巷技术

图1 沿空留巷示意图

如图1所示，沿空留巷技术是指在当前区段的综采工作面后方，通过支护、充填等方式对原回采巷道进行维护，从而实现高瓦斯煤层的Y形通风，并为下区段开采提供回采巷道的一种煤炭高效开采方式。显然，沿空留巷技术减少了下区段开采的掘进施工量，缓解了采掘衔接的紧张局面，同时，有效避免了煤柱的煤炭损失，延长了矿井服务年限，满足当前绿色、科学开采要求。另一方面，沿空留巷技术为Y型通风方式的实现提供了有利条件，可有效避免回风隅角的瓦斯聚集，为井下生产作业提供了安全保障。为促进我国煤炭行业沿空留巷技术的发展，本文将结合山西屯兰矿巷旁充填沿空留巷开采的现状，对该技术的应用基础、充填体宽度、回采工艺等内容进行研究。

2 工作面概况

本文所研究屯兰矿18401工作面，主要位于南四盘区，走向长度1820m，倾向宽235m，工作面所处地层水文地质条件复杂，主采8#煤层，煤厚1.80～3.10m，平均约2.41m，属中厚煤层，煤层局部夹一层炭质泥岩，厚0.20～0.50m。煤层整体向南西倾斜，最大倾角8°，最小倾角2°，平均约5°。煤层瓦斯含量6.4m3/t，瓦斯含量偏高，且该煤层为Ⅱ类自燃煤层。综合以上条件，该工作面适宜采用沿空留巷技术开采。

本文所研究18401工作面属中厚煤层沿空留巷，与薄煤层沿空留巷相比，其采高较大、直接顶厚度较小，因此上覆岩层的活动较为剧烈。另外，由于巷旁充填体上方的直接顶较为破碎，因此其控制难度更大，有必要首先对中厚煤层沿空留巷围岩结构特征进行研究。

3 沿空留巷围岩结构特征

中厚煤层内回采巷道上部岩层在采空区塌落后，随之发生结构破坏，符合关键层理论所述“砌体梁”结构。如图2所示，若要保证沿空留巷围岩具有足够稳定性，则需要该“砌体梁”在结构破坏后处于平衡状态。在煤炭开采过程中，随着煤层采出及采动影响，顶部破碎的关键块同时发生回转和下沉，在未进行巷旁充填或支撑的情况下，沿空留巷煤帮是其受力支撑点，且集中力明显，引起煤帮变形破坏，该破坏同时又造成顶板回转角度增大，从而加大了顶板下沉量，使巷道围岩结构急剧恶化。

通过及时的巷旁充填和加固，所形成的巷旁充填体可显著减弱关键块的下沉，此时，一方面要求充填体具有一定程度的可压缩性和协调变形能力，从而保证巷道顶板的稳定性；另一方面，也要求充填体具有足够的强度，可使直接顶在充填体内侧或外侧边沿发生切断，由此减小充填体和煤帮承载。

图2 沿空留巷围岩结构

4 沿空留巷充填体宽度确定

沿空留巷技术中，充填体宽度与其承载能力密切相关，因此应谨慎选择。

4.1 充填体宽度

本文所研究巷旁充填沿空留巷，是指在工作面后部平巷内采空区边沿的顶底板之间充填混凝土等材料，从而形成具有一定强度的支撑体，同时将采空区封闭。巷旁充填墙体一般采用矩形截面，截面高度与中厚煤层的厚度相当，约1.5-3m。为保证充填体的强度、稳定性和承载能力，需合理选择其宽度。相关研究表明，充填体宽度越大，其强度越高，对围岩的稳定性控制能力越强。同时，还应从经济性和效率角度出发，尽量降低充填体的施工量。大量工程实践数据表明，当充填体宽高比为0.8-1时，即可保证强度要求，又符合经济性条件。对于屯兰矿18401工作面，其平均采高为2.4m，则充填体宽度约为2.5m。

为进一步确定和选择最佳的充填体宽度，以下将利用FLAC3D软件，分别对2.0m，2.5m，3.0m三种宽度的充填体的受力和破坏情况进行研究。

4.2 沿空留巷模型建立

根据屯兰矿18401工作面实际参数，建立其三维模型，如图3所示，模型尺寸210m×250m×150m，沿空巷道断面高3m，宽4m。模拟开采深度720m。由于工作面倾角较小，建模过程忽略。模型上边界施加覆岩层自重均布等效载荷15.5MPa，下边界限制垂直方向位移，两侧限制水平位移。

图3 数值模拟三维模型

4.3 数值模拟结果

图4 不同充填体宽度对应应力及应变云图

图4 分别显示了充填体宽度为2.0m、2.5m和3m时，对应沿空留巷及充填体的应力和应变情况。从左侧应力云图可见，充填体靠近采空区一侧受到较大压应力作用，最大压应力依次为5.3MPa、3.1MPa、1.0MPa，即随着充填体宽度增加，充填体所受最大压应力逐渐减小。而沿空留巷的巷道顶板中部受较大拉应力作用，该拉应力同样随充填体宽度增加而减小。从右侧应变云图可知，充填体中部发生剪切或拉伸应变，但范围较小，加固控制难度较小。

根据当前井下沿空留巷充填工艺，充填体的28d强度约为4.5～5.5MPa，虽然以上三种宽度均满足强度要求，但综合考虑安全性和经济性条件，选择充填体宽度为2.5m最佳，与经验确定值相符。

5 沿空留巷回采工艺实践

5.1 回采及充填工艺流程

屯兰矿18401工作面所采用的回采及充填工艺流程如下：采煤机割煤→架前支护→移架、拉移充填模箱→充填空间维护→机械立模、空间布置→上料、搅拌、输送→充填→清洗充填泵和管路→充填体凝固→喷浆接顶。其中，充填材料选用膏体混凝土，其主要成分为硅酸盐、碎石、砂子、粉煤灰等。

5.2 关键工序

1）架前支护。工作面采煤机机尾割煤完成后，在模板支架上方铺设金属网，并用4米板梁对顶板进行支护，板梁与金属网最少用3道8#铁丝捆绑。金属网与巷道原有支护金属网搭接，用14#铁丝拧三圈半以上。在模板支架前采用锚杆+托架及时支护，托架长4m，锚杆间距2000mm，排距800mm。

2）机械立模、空间布控。工作面采用ZZTM2×11300/19/35H型巷旁充填模板支架、TM10×1100/21/32型充填模箱配合。工作面移架每四个步距充填一次。充填墙体宽度2.5m，在布控空间内铺设φ8mm钢筋网10片，并用10根φ16×2.1m长的直螺纹钢进行连接。在工作面侧布置12根直角弯螺纹钢。当工作面进入下坡段时，为防止拉移模板支架将隔离墙拉开裂缝，应增加布控空间内的螺纹钢用量。

（3）充填。混凝土进入充填模后，人工观察其平流堆积状况，保证充分接顶。每次充填前，将上一循环中预埋的φ16×1.6m的直角弯螺纹钢拉直并连接，使新旧墙体成为一个整体。隔离墙有漏风现象时使用喷浆机进行喷浆堵漏。

6 效果分析

屯兰矿18401工作面，通过采用沿空留巷回采工艺，避免当前区段的煤柱留设，因此极大提升了煤炭的回采率，平均每米沿空留巷可产生4-6万元的经济增效，充分挖掘和利用了煤炭资源，避免了能源浪费。同时，沿空留巷技术可减少下区段一条巷道的掘进施工，提高生产效率约16%，有效缩短回采工作面的准备时间，缓解采掘接续的紧张局面。

7 结 论

本文结合屯兰矿18401工作面实际情况，对沿空留巷技术特点、围岩结构特征等进行了分析，然后利用FLAC3D软件对沿空留巷充填体的宽度参数进行了对比研究，结果显示当宽度为2.5m时可满足当前工作面的沿空留巷工艺要求，最后对18401工作面所采用的回采工艺流程和关键工序进行了分析。本文研究内容可为中厚煤层沿空留巷工艺方案的制定和实施提供有益借鉴。