中厚煤层沿空留巷工艺探索与应用

文/赵振伟 王 平 王玉林

沿空留巷技术目前已成功应用于薄煤层开采，但在中厚煤层中还存在较多技术难题。山东能源枣矿集团新安煤业公司为缓解采掘接续紧张局面，减少万吨掘进率，通过对坚硬顶板采用水力致裂断顶，实施中厚煤层沿空留巷开采工艺，实现了矿井安全高效绿色开采。

一、沿空留巷工艺实施背景

目前，沿空留巷主要采用砌筑矸石带、高水材料充填、支设密集支柱（木垛）等工艺，由于砌筑矸石墙劳动效率低，高水材料充填留巷成本较高，目前普遍采用切顶留巷工艺。切顶留巷主要采用定向预裂爆破技术，但定向预裂爆破技术专业性强、技术难度大，此外，工作面顺槽爆破，安全系数低、影响工作面生产。为此，新安煤业公司通过加大科技投入，与科研院校合作，研究水力预裂切顶技术，通过采用“水力预裂切顶、超前预加固、后扶加强棚”施工工艺，成功进行了中厚煤层沿空留巷实践。

二、水力预裂沿空留巷实施方案

1.沿空留巷方案的确立

结合近期在兖矿集团济三煤矿、河南能源永煤公司城郊煤矿实施的切顶卸压情况，以及中国矿业大学何满潮院士提出的“切顶卸压沿空成巷无煤柱开采技术工艺”，并通过进一步分析论证，新安煤业公司确定了“切顶预裂、超前预加固、后扶加强棚”留巷工艺，并选取具有代表性的，基本顶厚度较大的3下209材料巷进行中厚煤层水力预裂沿空留巷试验。

2.沿空留巷实施方案

3下209工作面煤层平均厚度3.0m，直接顶为平均厚度0.3m的泥岩及基本顶下部约2m的易冒落岩层，基本顶为平均厚度31.2m的坚硬难垮落细、中砂岩，对在厚度较大的坚硬顶板中开展中厚煤层沿空留巷具有代表性。

根据工程类比法，借鉴山东能源枣矿集团滨湖煤矿薄煤层沿空留巷成功经验，确定预裂切缝深度为：H缝≥2.6H煤。3下209工作面材料巷煤层为3m，得出H缝为7.8m。考虑到岩层厚度的变化情况，综合确定H缝为8m。

因3下209工作面基本顶厚度较厚，如果采用爆破切顶，不但打眼和装药准备工序工作量大、瞎炮处理较复杂、存在缓爆问题，而且在走向方向切断效果差、在厚度方向无法实现分层切顶；定向水力预裂切顶是人为地在岩层中预先切割出一个定向裂缝，在较短的时间内注入高压水，使岩（煤）体沿定向裂缝扩展，从而可以实现坚硬顶板的定向分层或切断，效率和效果将更为显著。

其留巷原理为：超前回采工作面100m，沿预留巷道采空区侧采用定向水力预裂技术进行超前定向预裂切顶，将煤层上覆一定范围内的坚硬岩层提前致裂，待工作面回采后，在矿山压力的作用下，沿切顶缝将顶板切落形成巷帮，使其既隔离了采空区，保证了该回采巷道的完整性，同时使长悬臂梁成为短悬臂，降低巷道围岩应力。

工艺流程为：施工预裂钻孔（孔深10～15m、间距10m）→高压水切顶预裂→超前锚索梁加固支护→超前段工字钢梁加强支护→正常推采工作面→留巷侧架工字钢棚加强支护→缝隙带施工注浆锚杆或喷浆→留巷区域顶板离层观测、帮部移近量观测。

3.支护方案

（1）超前段支护。

①工作面正常超前段支护：采用DZ-3.15m单体支柱配合铰接顶梁加强支护，每排布置3棵单体，铰接顶梁规格HDJB-1000mm。柱距：人行侧为1.5m，电缆道为1m，棚距为1.0m。走向长度不少于20m。

②施工锚索加强支护：每排布置3棵φ21.6mm、长度8m的预应力锚索，锚索梁排距为2.0m，梁上锚索间距为1.8m，锚索梁采用12#工字钢制作，长度为4m。锚索梁超前工作面煤壁不小于80m。

每棵锚索使用3支MSCK2350树脂锚固剂锚固，锚固力设计值为200kN，外露长度为150～250mm。安装完毕0.5h后，采用锚索张紧器涨拉至设计预应力值。

(2)端头支护。工作面端头1～3#架，铺设双层金属菱形网，网压茬200mm，连网间距100mm，当顶板破碎、原网锈蚀严重时，另增加1层金属菱形网。

(3)沿空留巷支护。留巷巷道采用DZ-3.15m单体与铰接顶梁加强支护，超前煤壁不低于100m。工作面割煤后，在预留巷道端头支架挪移前，对靠近首架支架尾梁侧的铰接顶梁两端头，再分别增设两棵单体液压支柱，并在侧护板与单体支柱间悬挂钢筋网至底板，并与顶板金属菱形网相联，使用8#双股铁丝连接，联网间距100mm；钢筋网间采用8#双股铁丝连接，联网间距100mm。若顶板压力大时，每根铰接顶梁端头距支架300～400mm位置再补打一棵单体液压支柱。

当顶帮煤体破碎时，使用半圆或批子结实顶、帮，采用钢带或螺纹锚杆按照“十棚连锁”方式进行索棚。帮部索棚两道，上部距棚梁400mm，下部距底板1200mm；顶板距棚两端头400mm。为防止采空区漏风，靠近老塘侧帮部铺设金属网及竹笆护帮，喷射封堵材料。

4.矿压观测

沿空留巷后，在距工作面5m、15m、20m、25m、30m、50m、70m、90m、110m、130m、150m、200m位置，布置12个监控测点，安装在线应力监测仪、顶板离层观测仪、巷道位移观测仪等矿压监测仪器，对矿压显现、巷道变形规律进行分析。

三、巷道支护参数优化效果分析

1.数值计算模型

根据3下207工作面综合煤层柱状图，建立尺寸为长（x）×宽（y）×高（z）=1200 m×500 m×45m的巷道数值计算模型，模型共有单元数167450个，节点数为181116个；3煤平均埋深约360m，按照埋深施加均布载荷，岩层的物理力学参数，侧压系数取0.8，选用大变形模式。

2.支护效果分析

根据工作面实际回采情况，先对3下207临近的3下209工作面开挖，保留3下209材料巷作为3下207的材料巷，再分别按照优化后的支护方案进行支护模拟，并进行数值计算。结果表明，采用优化的支护参数，巷道仅在帮部和底板出现了较小的塑性区，巷道顶底板应力集中，巷道顶底板移进量和帮部变形较小，巷道围岩稳定性很好，支护效果良好。

综上，由模拟支护的整体效果进一步验证了采用优化后的支护参数，足以保证巷道围岩的承载能力和整体的支护效果。

四、实施效果分析

根据3下207工作面实际地质采矿条件，选择使用“切顶预裂、超前预加固、后扶加强棚”留巷工艺。对超前支护、端头加强支护进行支护方案优化，对留巷段支护参数进行优化，提出运用一梁三锚、单体与铰接顶梁复合支护及老塘侧帮部铺设金属网及竹笆护帮。

2019年3月至8月，在3下207工作面推采期间对3下209材料巷进行留巷，累计留巷720m，通过顶板离层及两帮移进量观测分析，顶板下沉量及两帮移进量均在10～30mm左右，符合设计要求。经过装备折合延米消耗，并结合劳动组织情况进行分析，沿空留巷延米费用5312元，新掘巷道延米费用为5400元，延米材料及人工费用减少88元，沿空留巷720m共减少材料及人工费用6.34万元；同时回收煤柱使工作面储量增加7488吨，增加经济效益192.4万元。本工作面共可增效198.74万元。

依据工作实践，总结出下一步留巷的关键在于以下两点。一是要将所留巷道顶板与采空区顶板分离，使之减少应力集中影响。同时必须针对一定高度范围内的基本顶，通过水力致裂方式将坚硬顶板切断卸压，形成短悬臂和低应力区。二是要实现留巷与回采的和谐推进，即通过超前对所留巷道采用锚网索（梯）超前支护、超前加固，回采期间采后区域采用复加强棚支设单体的方式，防止所留巷道顶部岩梁与上部岩层离层，最终实现留巷与生产互不影响。