沿空留巷对矿压的影响及管控措施

周 茂

(国能神东煤炭集团有限责任公司大柳塔煤矿，陕西 榆林 719315)

0 引言

沿空留巷技术能够较好地实现无煤柱护巷，是煤矿开采技术的一项重大改革[1-5]。此项技术不仅是合理开发煤炭资源、提高煤炭资源采出率、防止发火的护巷技术，而且是矿山进行采煤方法改革、实现前进式和往复式开采、实现Y型通风方式、治理工作面瓦斯超限难题的最有效途径，其技术优势和经济效益显著[6-9]。

目前神东矿区神东煤炭集团结合神府东胜煤田赋存条件以及国内外采煤设备发展，经过十几年的不断创新努力，在高产高效开采技术方面已得到了长足发展。矿区多为浅埋深煤层，受矿压影响较小的工作面，上下工作面之间一般留设15 m的隔离煤柱，受矿压影响较大的工作面，隔离煤柱留设普遍在20～35 m，现有的留煤柱开采方法回采时损失的煤柱资源煤量非常之大。据统计，2013年全公司煤柱资源煤量损失约1 400万t。如果能实现无煤柱开采，将极大地提高公司的煤炭开采率。

2015年，神东榆家梁煤矿在43308工作面2.0 m中厚煤层柔模沿空留巷技术成功，取得了良好的经济效益及示范效应。榆家梁煤矿现已完成多个工作面的沿空留巷作业，沿空留巷技术已经成熟，但沿空留巷顶板管控困难较大。为此，总结榆家梁煤矿43203综采工作面回采时43203回顺(43203回顺为沿空留巷巷道)矿压显现情况及采取的管控措施，以期向其他矿区提供借鉴。

1 工程地质及施工工艺

1.1 43203综采面工作面布置

榆家梁煤矿43203工作面长度为246.6 m，倾角1°～3°，容重1.30 t/m3。西侧为43204综采工作面，东侧为43202综采采空区，南侧为4-3号煤层保安煤柱。在43202综采工作面回采期间，采用柔模混凝土沿空留巷的方式将43202运输顺槽保留下来作为43203综采工作面回风顺槽。砼墙厚1.0 m，高2.3 m，巷道宽为4.5 m，长度为1 791 m，混凝土设计标号为C30。

1.2 地质条件

43203工作面地表为黄土沟壑区，地表标高+1 218～+1 352 m，最大高差130 m，在回采过程中工作面上部有2处地表存在张明沟贯穿工作面。43203回顺11硐室到9硐室为架棚区，架棚区长度为142 m；过42218回撤通道和回撤辅巷间煤柱，宽度为20 m；过42227回风顺槽和42218回撤辅巷间煤柱，宽度为35 m，集中煤柱贯穿整个工作面。与4-2号煤层间距14～18 m；地层总的趋势是以极缓的坡度向北西倾斜的单斜构造，倾角1°～3°，断层不发育，后生裂隙发育。煤层顶底板特征见表1。

表1 煤层顶底板特征Table 1 Characteristics of coal seam roof and floor

1.3 采煤方法及设备

43203综采面采用走向长壁后退式综合机械化采煤法采煤，全部垮落法管理顶板。回采工艺流程为安全检查—端部斜切进刀落煤—割煤、装煤—运煤—推移刮板输送机—移架放顶。综采工作面成套设备主要由郑州煤机厂生产的ZY10500-11-22D型液压支架、采煤机、刮板运输机、转载机、胶带输送机及工作面供电、供液设备等组成。43203回顺巷道宽度为4.5m，超前支护采用单体进行支护，每排3根，间排距均为1.5 m。机尾水箱前6 m，每排增加1根单体。

2 回采时砼墙侧压力显现

2.1 正常回采时端头架及过渡架矿压观测

43203工作面共145台支架，其中145#、144#、143#、142#架为端头架，141#架为过渡架。矿压观测时分别对118#、134#架布置2条测线，以2020年10月份观测统计数据形成压力曲面图，如图1所示。

图1 118#、134#架压力曲面Fig.1 Pressure surface diagram of support 118 and support 134

从图1可以看出，机尾端头架来压步距为7～20 m，来压时最大压力为43.8 MPa，支架立柱下沉5～8 cm。来压时工作面贯通机尾出现漏矸。通过观察分析可知，机尾来压步距与埋深有较大关系，埋深在94～110 m范围内机尾周期来压变化不大，埋深超过110 m后来压步距明显缩短，且变化较大，见表2。

表2 机尾周期来压步距与工作面埋深影响关系Table 2 Relationship between periodic weighting step of the tail and buried depth of the working face

2.2 正常回采时砼墙变化及三角区悬顶垮落情况

2.2.1 砼墙变化情况

通过在回采过程中对砼墙变化情况进行观测，端头架前10 m范围内混凝土墙体结构会发生明显破坏，墙体喷浆发生大面积片帮，10～20 m范围内墙体喷浆发生小面积片帮，20 m以外基本无变化，砼墙变化情况如图2、3所示。

图2 超前10 m范围砼墙变化Fig.2 Change of concrete wall within 10 m ahead

图3 超前10～20 m范围砼墙变化Fig.3 Change of concrete wall within 10～20 m ahead

2.2.2 三角区悬顶垮落情况

在生产过程中机尾三角区垮落情况为滞后工作面40 m以后缓慢下沉，老顶一直不垮落，压力传递，导致贯通机尾时漏矸严重，煤壁出现片帮，顶板出现下沉。为解决顶板不垮落问题，采取在巷道内提前水预裂方式，对老顶进行预裂[10-12]。实行水预裂后在水预裂范围内顶板能紧跟支架垮落，垮落效果较好，如图4～6所示。

图4 水预裂钻孔平面设计Fig.4 Plane design of water pre-splitting borehole

2.2.3 机尾超前支护范围内巷道下沉情况

在机尾超前支护的单体范围内，即距工作面9～10.5 m处选1个单体，在单体油缸伸出10 cm处布设观测点，每班观测2次，并填写记录。在机尾水箱前每20 m布置1个测点，测量顶底板两帮移进量，共安设5个测点，共计100 m，每班观测2次。通过观察，超前影响范围机尾端头架至水箱前10 m范围内，巷道有下沉现象，最大下沉量为15 cm。10～20 m内巷道下沉量较小，20 m以外巷道基本无下沉。

图5 水预裂前三角区悬顶情况Fig.5 Overhanging situation of triangular area before water presplitting

图6 水预裂后三角区悬顶情况Fig.6 Overhanging situation of triangular area after water pre-splitting

3 矿压变化及管控

3.1 沿空留巷对矿压的影响

顶板压力变化：43203综采工作面在回采过程中通过矿压数据分析，来压时机尾段先来压，且压力较大，来压持续4～5刀，100#架至机尾周期来压步距为4～6 m。100#～40#架周期来压比较分散，来压步距在12～15 m，来压时持续2～3刀。沿空留巷对附近顶板压力如图7所示。由图7可以看出，留巷支承压力从采空区悬顶断裂处开始向工作面一侧传递，更多地承受43202工作面采空区覆岩压力，所以其支承压力峰值偏向巷道顶部，且应力峰值相比掘巷应力峰值要高，曲线向工作面延伸的也远，而后恢复至原岩应力。

图7 留巷围岩结构及其相应的侧向支承压力示意Fig.7 Surrounding rock structure of the entry retaining and its corresponding lateral support pressure

砼墙变化情况:现场观察，超前工作面10 m内为应力急增区，墙体结构破坏较为严重，顶板下沉明显，平均为300 mm左右。超前工作面10～20 m为应力缓升区，顶板下沉不明显，两帮及顶板未发生明显破坏。

单体下沉情况:对超前支护10 m范围内单体进行观察，在正常条件下单体下沉6～8 cm；在过架棚区单体下沉15～20 cm；过集中煤柱区单体下沉10～15 cm。埋深对沿空留巷矿压影响较大，埋深在100 m以下时砼墙下沉100～200 mm，埋深在100～150 m时砼墙下沉200～300 mm。

3.2 顶板管控措施

机尾段周期来压步距较小，来压频繁需加强支架初撑力管控，在生产过程中发现支架压力不足现象，必须立即补压。加强三角区悬顶面积管控，可以提前在巷道内施工应力释放孔，减少三角区悬顶面积。正常情况下超前支护距离由20 m增加至30 m，采用每排3根进行支护，在砼墙侧加打单体1排，加打距离为10 m。要每班检查单体支护情况和测量单体下沉情况，发现单体支护质量不符合要求要及时加密支护。过集中煤柱区和架棚区等特殊构造地带，采取加密超前支护方式和延长超前支护距离。超前支护20 m范围内的单体排距由1.5 m变更为1 m。在生产作业中严禁超前回撤单体，压力较大时必须等待压力稳定后才能回撤单体。过特殊地质构造，在机尾作业时必须严格执行“作业不生产，生产不作业”的规定，确保作业人员在顶板发生状况时能够及时采取躲避措施。因砼墙变形严重，机尾端头架存在压架风险，需提前测量巷道高度，按巷道最大下沉量计算高度是否满足要求，提前采取起底作业。

4 结论

(1)柔模混凝土沿空留墙沿墙掘巷技术，采用1 m厚的柔模混凝土墙体替代了15 m的护巷煤柱，多回收了煤炭资源，能够延长矿井服务年限。沿空留巷超前工作面10m内为应力急增区，墙体结构破坏较为严重，顶板下沉明显；超前工作面10～20 m内为应力缓升区，顶板下沉不明显，两帮及顶板未发生明显破坏。

(2)沿空留巷支承压力从采空区悬顶断裂处开始向工作面一侧传递，更多地承受工作面采空区覆岩压力，所以其支承压力峰值偏向巷道顶部，且应力峰值相比掘巷应力峰值要高，曲线向工作面延伸的也远，致使机尾段来压频繁，而后恢复至原岩应力。

(3)沿空留巷的矿压显现表现为回采时超前墙体结构破坏较掘巷严重，顶板下沉明显、顶板回转变形较为明显，墙侧下沉比煤帮明显，工作面煤壁片帮影响范围较长。留巷超前支承压力对工作面的超前影响范围为20 m，工作面10 m范围内采动对巷道围岩变形影响剧烈。因此，建议在满足煤矿安全规程超前支护强度的基础上对超前10 m范围进行单体加强支护。

(4)沿空留巷三角区悬顶面积大，可采取提前巷道内水预裂的方式阻断顶板压力的传递或在留巷时优化支护，避免因支护强度过大导致三角区顶板垮落困难。