大采高工作面沿空留墙无煤柱开采技术应用研究

张晓琳

(山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司，山西 晋中 045300)

有些国家的矿井数量少，煤层采高小(3 m以内)，加之采深大、瓦斯含量高、压力大，因此主要采用沿空留巷无煤柱开采，极少采用沿空掘巷技术。国内广泛采用沿空掘巷和沿空留巷无煤柱开采技术。沿空掘巷主要采用3～5 m的窄小煤柱，巷内采用高强度、高刚度和高预应力的锚网索粱支护，仍然存在丢失煤柱资源、支护成本高、巷道维护困难等问题[1-2]。沿空留巷技术从2007年至今，已经在全国40多个煤矿的100多个采煤工作面进行了成功应用，但是应用范围主要是在4 m以下的一次采全高工作面或者放顶煤工作面。寺家庄煤矿的主采煤层平均厚度在5.5 m左右，若采用沿空留巷方案，需要在采空区浇筑5 m高的墙体。为了回收煤柱及提高巷道掘进速度，决定采用沿空留墙无煤柱开采技术。

1 工程概况

寺家庄矿15117工作面井下位于+510 m水平，井下标高+557～+613 m，地面标高+940～+1 115 m，北部为盘区大巷，西部为15119工作面进风巷(未掘)，东部为15117工作面高抽巷，平均煤层厚度5.48 m.15117工作面全长1 400 m，进风巷沿15号煤层顶板掘进，煤层顶底板岩性、厚度特征见表1.

表1 工作面顶底板岩层特征

2 沿空留墙技术方案

2.1 15117进风巷支护概况

15117工作面进风巷掘巷阶段宽、高分别为5.2 m、4.1 m，顶部采用“锚杆+锚索+W钢带+经纬网”联合支护；帮部采用“锚杆+锚索+W钢护板+菱形网”联合支护。顶部支护：锚杆间排距为960 mm×900 mm，顶部锚索 “二·二”方式布置在相邻两排钢带中间，顶部锚索、锚杆垂直于巷道顶板支护。锚索规格为D17.8 mm×7 200 mm，顶锚杆规格D20 mm×2 200 mm，经纬网规格为5 500 mm×1 200 mm，W钢带规格为BHW235/280/6-6000-950-7.帮部支护：锚杆间距800 mm、排距900 mm，锚杆规格D18 mm×2 400 mm.联网方式：联网搭接100 mm，每隔100 mm用14号铅丝双股双边三花联网一道，每道绑扎不少于3匝，铺网时长边垂直掘进方向。

2.2 沿空留墙技术方案详情

15117进风巷作为15117综采工作面运输巷使用，可用空间有限，为保障墙体充填具有足够的空间，需首先在原有巷道断面的基础上对充填墙体一侧进行扩刷，结合墙体参数设计要求，设计墙体高度5.5 m、厚度1.5 m，由此设计帮部扩刷深度2.5 m，扩刷区域起底深度1.5 m.扩刷起底工作完成后，在15117工作面回采前，沿起底槽腔灌注混凝土，灌注高度基本与巷道底板持平，作为沿空留墙的基础，进行墙体柔膜混凝土的浇筑，在15117工作面回采完成后，紧贴沿空墙体进行15119进风巷的掘进施工，具体流程如图1(a)～(c)所示。

对15117进风巷帮部扩刷后，裸露的顶板和煤帮需要进行支护，帮部和顶板均采用锚网索支护，顶板在靠近巷道边缘一侧补打1根锚杆，距原顶板锚杆490 mm，排距0.9 m，补打两根锚索，距巷道右帮分别为290 mm、1 250 mm，排距0.9 m，锚杆、锚索规格与原顶板支护相同；帮部锚杆布置与原支护相同，并在巷道腰线附近补打1根锚索，排距2.7 m，规格D17.8 mm×5 200 mm.墙体参数：长度1 400 m、高度4 m、宽度1.5 m、强度C40，墙体基础必须到煤层底板，用强度C40混凝土浇筑，为提高墙体稳定性，采用对拉锚栓配合钢筋梯子梁进行补强支护，对拉锚栓间排距0.8 m，15117进风巷扩刷后及留墙支护详情如图1(d)所示。

图1 15117进风巷留巷留墙工艺(mm)

3 水力切顶卸压方案设计

寺家庄煤矿15号煤层顶板岩层较坚硬且厚度较厚，15117进风巷采用沿空留墙无煤柱开采技术，采场覆岩垮落结构如图2所示，采场顶板岩层垮落后，在碎胀效应的作用下充填采空区，上部未充分垮落的岩层断裂形成具有一定宽度和厚度的岩块，工作面移动支承压力及侧向支承压力影响下，墙体将承受较大的支承压力，易导致墙体出现过度的破坏和变形，因此可通过人为切顶的措施，减小上覆关键块的体积，进而减少墙体的支承压力，保障墙体的稳定和完整。

图2 采场覆岩运动结构图

岩块C与岩块B呈铰接结构，岩块B的自重基本由巷道顶板及墙体承担，岩块C自重的一部分会传递给岩块B，岩块B、C的长度越长、厚度越大，充填墙体的集中应力越大，因此进行切顶参数的设计需首先确定岩块B、C的破断位置，可通过下式计算岩块B、C的长度[3]：

(1)

(2)

式中：Lc为岩块C的长度，m；b为老顶周期来压步距，参考邻近的15115回采工作面，取18.6 m；Lm为工作面倾斜长度，取185 m；Lb为岩块B的长度，m；mr为岩块B、C的厚度，根据15117工作面顶板岩层岩性，取22.5 m；RT为基本顶抗拉强度，为1.9 MPa；q为岩块B所受的载荷，取2.0 MPa.

将上述参数代入式(1)、(2)可得，岩块B、C的长度分别为25.3 m、22.2 m，进行切顶卸压设计时，应尽量将岩块B和C进行压裂，达到较好的卸压效果。为使采空区顶板岩层及时垮落，减少顶板悬臂结构的持续时间，并使采空区矸石能够迅速填充采空区，切顶高度不应小于顶板垮落带高度，垮落高度计算公式为[4]：

(3)

式中：h为采空区顶板垮落带高度，m；k为碎胀系数，通常为1.2～1.4,15117工作面顶板为复合顶板，碎胀系数取1.3；M为工作面采高，15117工作面平均煤层厚度为5.5 m.

由此可得，采空区顶板垮落带高度为16.5 m，因此设计的切顶垂直深度应大于该高度。结合15117进风巷直接顶厚度3.5 m，老顶均厚22.5 m，切顶的垂直高度应大于26 m，且寺家庄煤矿为煤与瓦斯突出矿井，设计采用水力压裂工艺，钻机的俯仰角不超过60°，因此，钻孔的深度不小于30 m.

设计15117进风巷压裂钻孔布置如图3(a)所示，钻孔总长度41.1 m，与水平方向夹角为50°，钻孔直径56 mm，施工位置距回采帮1.0 m，孔间距10 m，压裂段深度11.7～41.1 m，每间隔1.5 m压裂1次，高压注水泵压力为62 MPa，流量80 L/min，水力压裂系统组成如图3(b)所示。

图3 水力压裂钻孔布置及工艺示意

4 应用效果考察

4.1 留墙支护效果分析

寺家庄煤矿15117进风巷实施墙体充填、水力压裂切顶卸压工艺措施后，在本工作面开采期间对其围岩变形量进行监测，根据现场实测数据整理得到巷道围岩典型的变形量变化曲线，如图4(a)所示，可以看出，超前工作面约100 m，巷道底板底鼓量开始出现明显的变形，随后与回采工作面距离越来越小，巷道底顶板及两帮的变形量均匀增大，直至工作面回采至测点附近，顶板最终下沉44 mm，底板最终底鼓105 mm，实体煤帮最终内移59 mm，充填墙体帮最终内移11 mm.相对于未采取水力压裂切顶卸压工艺前，巷道表面变形量减小70%以上，围岩稳定性显著提高，卸压效果良好。15117进风巷邻近回采工作面附近沿空留墙现场实况如图4(b)所示，墙体结构稳定，表面光洁平整，留墙效果较好。

图4 15117进风巷矿压监测结果及现场实况

4.2 经济、社会效益

根据寺家庄留小煤柱沿空留墙技术情况，沿小煤柱掘巷每天掘进6 m左右。采用柔模混凝土沿空留墙技术，减少巷道一帮的支护，可提高巷道掘进速度，巷道掘进速度预计可达9 m左右。采用沿空留墙无煤柱开采技术，回收采空区遗煤，降低采空区自然发火的概率。寺家庄矿属于煤与瓦斯突出矿井，沿空留墙巷道掘进时处于卸压区，降低了掘进时发生煤与瓦斯突出的概率，有利于矿井安全。采用该工艺多回采煤柱25 m(宽度)，可创造收益1.25亿元。

5 结 语

文章以寺家庄煤矿15117进风巷引进沿空留墙无煤柱开采技术为背景，结合矿井生产地质条件及开采技术条件，设计具体的沿空留墙工艺流程，确定沿空留墙支护方案，提出采用水力压裂切顶卸压工艺来提高沿空留墙效果，设计水力压裂切顶的具体参数，工程应用实践表明，本工作面回采期间，巷道围岩稳定性良好，充填墙体表面光洁平整，留墙效果良好。沿空留墙无煤柱开采技术在阳煤集团推广后，以阳煤集团每年15号煤回采10个工作面计算，则可获得经济收益12.5亿元，为阳煤集团带来较好的经济和社会效益，具有良好的推广前景。