沿空留巷技术在软岩顶底板煤层中的应用

徐贵阳，李春旺，周杰民

（1.山西古县老母坡煤业有限公司，山西 临汾 041000；2.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；3.矿井水害探测与防控国家矿山安全监察局重点实验室，河北 邢台 054000；4.矿井物探河北省工程研究中心，河北 邢台 054000）

2000 年至今，沿空留巷得利于巷道支护技术和装备的巨大进步，随着锚网索主动支护技术得到了较好的发展，巷旁膏体充填的成熟，围岩控制效果较好。老母坡煤业2 号煤层、3 号煤层均采用了无煤柱连续开采，经济效益显著。现老母坡矿主要开采5 号煤层，煤层顶底板岩层强度低，且较为破碎，对沿空留巷应用带来了挑战。

1 概 况

老母坡矿5101 工作面5 号煤位于太原组上段，上距3 号煤层26.73 ～38.60 m，平均30.44 m，煤层厚度0.60 ~ 1.55 m，平均0.93 m，一般不含夹矸，仅在4002 号钻孔中含1 层夹矸，结构简单，为较稳定大部可采煤层。顶板为泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩，底板为泥岩、砂质泥岩，平均4.10 m。底板为泥岩、砂质泥岩，厚度为2.20~3.92 m，平均3.10 m。顶底板为多层软弱岩层复合，采掘时易造成破碎情况，不易管理。5101 综采工作面位于+880 水平一采区东北部，东为矿井边界保安煤柱，西为采区机轨合一上山及回风上山，南为5103 工作面，北为矿井保安煤柱。5101 工作面上、下顺槽均长1 169 m，切眼长145 m，工作面煤层底板标高+875—+915 m。

2 无墙体沿空留巷结构模型及切顶支架设计

沿空留巷上覆围岩分布情况探测和巷旁切顶组合支架设计对于无墙体沿空留巷的成功实施具有很大影响，所以开展沿空留巷顶板裂隙情况探查、围岩力学性质及支护材料力学性能测试非常重要，在了解围岩和支护材料力学性能情况的前提下，进行无墙体沿空留巷巷旁切顶组合支架的设计。

2.1 无墙体沿空留巷结构模型

无墙体沿空留巷结构模型如图1 所示，随着工作面的回采，采空区上覆岩层垮落，并随着上覆岩层逐渐下沉，采空区矸石逐渐压实，与沿空留巷上方基本顶破断后的岩块，在工作面的走向方向形成稳定的砌体梁结构，在工作面端头上方破断形成的岩块称为弧形三角块，沿空留巷处于弧形三角块的下方。随着工作面的逐渐推进，上覆岩层不断破断，结构从失稳到稳定，再失稳再稳定，采空区矸石不断压实，提供支撑阻力给上覆岩层，留巷上方岩层通过下部直接顶与巷道传递应力，所以可以看出，上覆岩层垮落后的稳定结构很大程度上取决于上覆基本顶的断裂情况，如长度、回转下沉的角度等。

图1 无墙体沿空留巷结构模型Fig.1 Structural model of gob-side entry retaining without wall

2.2 无墙体沿空留巷巷旁切顶组合支架设计

通过将工字钢和单体支柱组合使用，巷道帮壁具有强力切顶、高阻让压、主动支撑的能力，及时使侧向顶板岩层沿组合支架的外侧断裂，巷旁切顶组合支架设计是在巷道采空区一侧，沿巷道走向布置由工字钢与单体液压支柱，顶端由十字铰接顶梁连接，底端由特制铁鞋连接来增加底板的受力面积防止支柱钻底，组合切顶支架布置如图2 所示。

图2 组合切顶支架布置示意Fig.2 Layout of combined roof cutting support

3 沿空留巷支护方案和参数

3.1 顶板注浆加固

由于5 号煤层顶板节理发育，顶板破碎，采用SKZ22-1/1860 型中空注浆矿用锚索注浆加固顶板，如图3 所示。为防止顶板裂隙及锚杆、锚索孔内漏浆，注浆前对巷道顶板进行喷浆，厚度50 mm，要求喷严喷实。

图3 工作面下顺锚索注浆示意Fig.3 Anchor rope grouting of lower gateway in working face

3.2 切顶卸压

为阻断5101 工作面动压对沿空留巷及采空影响，留巷前在5101 下顺槽采用爆破预裂切顶卸压。即对下顺槽沿空巷道顶板实施超前预裂，在采场顶板周期来压作用下，采空区顶板沿着预裂面在巷旁切落，形成对上覆基本顶岩梁的支撑结构，达到减小沿空巷道围岩压力的目的。切顶卸压平面图如图4 所示。

图4 5101 工作面下顺槽切顶卸压平面图Fig.4 Roof cutting pressure relief plan of lower gateway in No.5101 Face

3.3 沿空留巷支护设计

（1） 采用φ22 mm×4 200 mm 的专用注浆锚索，间排距1 800 mm×1 000 mm（与锚杆、索排距一致），每排1 根，为“三花眼”布置；靠回采侧注浆孔垂直向上90°布眼，靠非回采侧注浆孔向非采侧外扎20°布眼；钻孔直径32 mm，孔深4 000 mm；每孔使用1 条CK2335 和1 条Z2350 的锚固剂。

（2） 锚固后采用特制钢管将止浆塞送入孔内防止漏浆，然后进行注浆，水灰比：1～2。每袋水泥加入添加剂4～5 kg。注浆压力达到2.5 MPa 时停止注浆，完成后采用塑料盖封孔。

（3） 注浆12 h 后选用250 mm×250 mm×12 mm 的钢板作为锚索托盘，并加设100 mm×100 mm×8 mm 的蝶形托盘，对锚索进行张拉，初张力不小于30 MPa。

5101 工作面下顺槽巷道掘进净断面设计为4.2×2.6 m。为了满足工作面通风要求，以及考虑留巷后围岩移近量，留巷巷道断面4.0×2.6 m，巷道稳定后断面不小于3.8×2.2 m。（巷道高度均为铰接顶梁的下部距底板的距离） 如图5 和图6 分别为留巷断面示意图和顶板支护示意图。

图5 留巷断面示意Fig.5 Retaining roadway section

图6 顶板支护示意Fig.6 Roof support

4 沿空留巷效果分析

4.1 矿压观测

主要观测内容：①巷道表面位移，反映巷道表面位移的大小及巷道断面缩小程度，判断围岩的运动是否超过其安全允许值，是否影响巷道的正常使用，具体包括顶板下沉量及下沉速度、底臌量及底臌速度、两帮移近量及移近速度；②顶板锚固区内、外的离层值，判断顶板锚固区内、外围岩的稳定性以及锚杆支护参数的合理性。

测点布置一般采用十字布点法，如图7 所示。

图7 十字布点法示意Fig.6 The method of arranging measuring points by cross

4.2 矿压观测分析

对5101 下顺进行测站布置及矿压观测，共布置测站5 个，1 号测站距离采煤工作面13.681 m，2 号测站距离采煤工作面43.233 m，3 号测站距离采煤工作面63.790 m，4 号测站距离采煤工作面83.831 m，5 号测站距离采煤工作面103.638 m，结果如图8 所示。

图8 5101 下顺巷道表面收敛图Fig.8 Surface convergence of lo wer gateway in No.5101 Face

从图8 中可以看出，巷道顶底板及两帮在巷道采后10 d 内的变形速度最快（每日掘进约10 m，即距离工作面约100 m）。前10 d 两帮变形量达到13 cm，顶底板变形量达到8 cm，后期变形速度逐渐趋于平缓，说明无墙体沿空留巷旁切顶组合支架的设计满足安全回采的要求。

4.3 应用情况及效益

老母坡煤业自建矿以来，2 号煤层、3 号煤层均采用了无煤柱连续开采，已连续开采20 余个工作面，采取煤炭资源回收率达90%以上，经济效益显著。现主要开采5 号煤层，综合运用理论分析、现场试验手段，进行了5 号煤层围岩力学性能评估，对支护方案及沿空留巷方案进行了优化，使得沿空留巷在软岩顶底板条件下成功实施。老母坡整体巷道的支护材料支护规格，施工质量均符合现代化标准矿井的施工规范。该项目的成功实施为类似地质条件下沿空留巷应用提供重要借鉴。截止2022 年，5 号煤层累计留巷3000 多米，多回收煤炭资源4 万余t，创造经济效益近3 千万元。

5 结 论

本文以老母坡煤业5101 工作面为例，通过对支护方案及沿空留巷方案的优化得出以下结论。

（1） 对巷道锚杆、锚索支护及沿空留巷方案进行了优化，使得沿空留巷在软岩顶底板条件下成功实施，提高留巷复用质量。

（2） 通过实施沿空留巷技术，减少了1 条回采巷道，有效缓解了工作面接替紧张的问题，实现了“Y”型通风，解决了工作面隅角瓦斯问题。