复杂应力条件下沿空留巷技术研究与实践

文/刘学征 倪庆均

山东能源新汶矿业集团潘西煤矿-740m水平6310工作面上巷以及前六西部大巷埋深近千米，且已受3、19煤层相关工作面的多次采动影响。矿井正在开采3煤层6310工作面和19煤层6199工作面；6310工作面上巷距离6300采空区煤柱50米，煤柱中布置前六采区轨道大巷和皮带集中巷，下层19煤层6199工作面垂直方向与6310工作面大部分重叠。经对上述3个工作面平面与空间位置关系分析可知，采区应力环境和围岩状况极其复杂。根据以往对类似巷道加固修复的实践经验，潘西煤矿采用“锚网带（梁）索+注浆锚索”实施巷道超前补强预加固方式对巷道的稳定性将带来有利影响；-740m前六西大巷为-740m前六采区主要物料运输及行人通道，为保证-740m前六采区剩余工作面正常开采接续所需的备用物料运输，以及后期回收大巷煤柱资源，6310工作面上巷采取沿空留巷技术具有现实的安全及经济意义。

一、工作面概况

1.工作面位置

6310工作面位于-740m水平前六下部采区，东部为-740下部皮带井，西部为未采区，南部为6300工作面采空区，北部为-740下部西大巷；走向长度585m，倾斜长度168m，埋深964.3～1077m。6310工作面与19煤层6199工作面垂直间距约220m，6310工作面上巷距离6300采空区煤柱50m，煤柱中布置前六采区轨道大巷和皮带集中巷。

2.工作面地质条件

6310工作面开采煤层为3煤层，视密度为1.31t/m3，坚硬，块状，断口平坦，油脂光泽，层理、节理发育，以半亮煤和暗煤为主，属半亮型煤；本区地层为单斜构造，煤层走向118°～123°，煤层倾向28°～33°，煤层倾角27°～34°，平均煤层倾角31°。煤层厚度0.3～2.6m，硬度1.5，煤种为气煤；基本顶为厚度0～8m浅灰色中砂岩，坚硬稳固，不易冒落，f=6。直接顶细砂岩厚度1.5～5m，深灰色，致密、坚硬，含石英，f=5～6；直接底为2.7～4.6m的深灰色粉砂岩，坚硬，性脆、易碎，层理明显，节理发育，f=3～4。工作面瓦斯涌出量具有不均匀性，根据3煤层同类工作面瓦斯资料，预计工作面绝对瓦斯涌出量为0.73m3/min，绝对二氧化碳涌出量为1.44m3/min；3煤层属II类自燃煤层，最短自然发火期为85天，煤层爆炸性指数为29.49%，火焰长度大于400mm，具有煤尘爆炸性。

3.工作面生产条件

（1）采煤工艺。6310工作面采用走向长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板，采用综合机械化采煤。MG300/700-WDK型采煤机落煤、装煤，SGZ730/400型刮板输送机（溜子）运煤，ZY3200/14/32型、ZY3200/15/36型与ZY5200/18/38D型掩护式支架支护顶板。平均采高2.0m，循环进度为0.6m。

（2）工作面上巷巷道断面以及支护参数。6310工作面上巷沿3煤层布置，断面形状为圆弧拱形断面，顶板采用全锚索作为永久支护，选用长4.2m、Ф17.8mm、1×19结构钢绞线配锁具、锚索托盘、W钢带压金属菱形网、双向拉伸塑料网进行支护，锚索间排距为800×800mm。巷道上帮采用锚网带支护，选用MSGLD-400／20×2400(X)等强螺纹钢式树脂锚杆，配高强锚盘、W护板压3眼W钢带压金属菱形网、双向拉伸塑料网进行支护，锚杆间排距为800×800mm。下帮采用MSGLD-335／20×2400等强螺纹钢式树脂锚杆，配钢板锚盘、W护板压金属菱形网进行支护，锚杆间排距为900×900mm。每根锚索采用3支MSK28/50型树脂锚固剂锚固，每根锚杆采用2支MSK28/50型树脂锚固剂锚固。

二、沿空留巷设计及措施

1.前六西大巷受力分析及超前强加固技术

（1）前六西大巷受力破坏分析及应对措施。前六西大巷在高应力及顶板倾斜下沉产生的附加水平应力作用下，顶板之间的层理面易发生剪切破坏，产生错动，并引起附近煤体围岩破坏，导致顶板在两肩窝部位产生范围较大的塑性区。在肩窝部位斜向上打锚索，与顶板锚索共同作用，对该区域进行加强支护，将顶板锚固到深部稳定岩层中。同时，巷道容易在两帮底角部位产生剪切滑移变形，处于自由状态的底板将会出现失控变形，进而影响到帮部和顶板的稳定性。因此，应对两帮底角部位进行加强支护，防止由于底部岩层产生剪切滑移造成严重底鼓现象。

（2）前六西大巷加固方案。

①-740前六西大巷加固范围：6310切眼通道以西20m至前六石门共530m。

②-740前六采区西大巷扩修后巷道为半圆拱巷道，采用锚网索支护，顶板选用φ=21.8，L=4300mm，高强度、低松弛1×19结构钢绞线锚索配高强锚盘（250×250×14mm）压W钢带、菱形网（采用8#铁丝制作）阻燃双抗网进行支护，锚索间排距为800×800mm；两帮采用锚网索支护，选用φ=21.8，L=4300mm，高强度、低松弛1×19结构钢绞线锚索配高强锚盘（250×250×14mm）压W钢带、菱形网（采用8#铁丝制作）阻燃双抗网进行支护，锚索间排距为800×800mm。

③加固完成后喷浆盖网。

2.6310工作面上巷沿空留巷成套技术

在6310工作面上平巷采用沿空留巷工艺，既实现了6310工作面由不可采到可采的转变，缓解了矿井接续紧张局面，又最大限度地降低了对前六西大巷的影响，保证了其安全使用。科学设计沿空留巷方案，突出“全负压”“支得住”“切得开”“封得严”“在线测”“装备先进、精准”等特点，细化工作流程，确保沿空留巷取得实效。

（1）“全负压”。6310上巷沿空留巷采用全负压通风方式，可随时检查处理沿空留巷段出现的支护、漏风等问题，达到留巷即能用的目的。6310工作面通风示意图如图1所示。

图1 6310工作面通风示意图

（2）支得住。

①6310上巷顶板超前采煤工作面150m采用三排锚索桁架梁进行加固。锚索采用φ=21.8×8300mm的高强度、低松弛1×19结构钢绞线锚索，两架锚索桁架梁首尾连接，锚索梁采用25#U型钢制作，梁长1.9m，锚索间距1.5m。

②6310上巷上帮超前采煤工作面150m采用二排锚索加强支护。锚索采用φ=21.8×4300mm的高强度、低松弛1×19结构钢绞线锚索，锚索梁采用25#U型钢制作，梁长1.2m，锚索间排距为900×1800m。

③留巷段沿巷道走向支设两排单体液压支柱加强支护，在下帮锚索桁架梁下方支设单体液压戗柱加强支护，间距为1.5m，支护效果良好。

（3）切得开。

①超前工作面30m采用DCA-45型切缝钻机施工切顶孔，切顶孔深度为8m，孔距0.6m，倾向距铅垂线向工作面偏移夹角20°，走向沿铅垂线向采空区偏移夹角15°，切顶孔拉线打设，形成切缝线。从6310工作面上巷实际切缝效果看，切缝线沿切缝孔走向延伸，工作面开采后，采空区顶板沿切缝线冒落，冒落及时，最大限度地避免了悬顶，切缝效果良好。

②超前工作面20m预裂爆破，一次爆破5个孔，每个孔使用两根长度为2.0m的聚能管，采用煤矿许用三级水胶炸药。

（4）封得严。留巷侧依次采用金属菱形网、涂塑布、钢筋网护帮，使用两根长度为2.2～3.6m的25#U型钢组合成挡矸架，每组挡矸架采用三个U型卡子固定，挡矸架间距为0.8～1.0m，挡矸架支设下扎5°，挡矸架之间采用连接板固定，间距0.5m，将挡矸架固定为一个整体，顶板压力大时可适当让压保证挡矸架的稳定性；留巷侧喷涂无机防灭火材料堵漏防火，能较好地防灭火降温和密封巷道，有效防止风流进入采空区，防止采空区遗煤自燃。

（5）在线测。

①6310工作面上巷沿空留巷段采用顶板离层在线监测，对沿空留巷段顶板离层情况实施不间断监测。

②巷道变形量观测。安装5组激光测距仪，每组两个测点分别测量两帮移近量和顶板下沉量，监测数据上传至地面防冲监控室。

③在6310工作面上巷留巷侧支设挡矸架时卧底到硬岩，深度为1.5m，宽度为1.0m，实现了槽沟卸压，两帮移近量为211mm，底板底鼓量为119mm，有效控制了巷道变形。

（6）装备先进、施工精准。顶板切顶孔施工采用DCA-45型自动成巷超前切缝钻机和CMM2-8型煤矿用液压锚杆钻车，这两种钻机体积小、采用履带行走，具有良好的通过性。钻机配备钻杆夹持机构、钻机支顶装置，能够方便钻杆的装卸及钻杆的导向，降低工人的劳动强度且成孔质量较好，易于装入爆破聚能管；2部钻机可独立旋转，能够满足钻孔轴线与铅垂线夹角的要求，侧向移动机构对钻机的驱使，满足所有钻孔在一条直线，使顶板沿预裂切缝线切落后成巷质量较好，实现了留巷装备升级，精度、效率双提升。

3.建立支、切、封工作流程体系

工作流程为：采用锚索桁架超前加固150m→采用DCA-45型切缝钻机施工切顶孔超前30m→预裂切顶孔超前20m→采煤面推采→挂金属菱形网→挂涂塑布→挂钢筋网并扭紧→支设挡矸架，安设连接板→打设单体戗柱→留巷段维护。

4.综合施策，灾害防控到位

（1）组合挡矸工艺，有效控制喷矸。沿空留巷巷帮采用金属菱形网及涂塑布、钢筋网进行封帮，采用长度2.2m的25#U型钢组合式挡矸架进行挡矸，有效控制了喷矸，保证了留巷效果。

（2）6310工作面上巷沿空留巷段采用全负压通风，在沿空留巷段下帮金属菱形网与钢筋网之间铺设一层规格为4×2.8m的涂塑布，留巷距离达到100m时，喷射防火封堵材料，有效防止有毒有害气体泄漏和煤层自燃。

（3）采用KJ70X进行安全监控。利用一氧化碳传感器、瓦斯传感器24小时监测沿空留巷段的一氧化碳和瓦斯气体。

（4）6310工作面上巷沿空留巷段保留风水管路，可采取注水、注浆等措施。

三、实施效果

（1）保证矿井生产接续正常。每年实施“110”工法沿空留巷800m，减少掘进巷道800m，降低了万吨掘进率，根据测算，沿空留巷成本约3000元/m，巷道掘进成本约5000元/m，减少掘进投入160万元。

（2）减少煤柱煤炭资源损失，提高回收率。通过实施“110工法”沿空留巷，实现了无煤柱开采，全年多回收煤炭资源2.1万吨。

（3）为复杂应力条件下回收煤柱提供了实践经验。

（4）实现了大倾角深部弧形巷道断面、复杂应力、多灾害的成功留巷，为同类矿井沿空留巷提供了宝贵经验。