煤矿采空区下薄煤层沿空留巷关键技术与应用分析

孟树杰

（山西兰花集团东峰煤矿有限公司，山西 晋城 048407）

0 引言

近年来，随着煤矿开采工作的进一步推进，大量易开采的煤炭资源近乎采空，使得开采工作更倾向于薄煤层开采，以提升煤炭资源利用率和降低浪费。但薄煤层开采具有空间小、效率低等诸多限制因素，传统采煤技术难以适应薄煤层的实际情况[1]。为此，就需要应用沿空留巷关键技术，以解决薄煤层开采过程中巷道掘进难度大和采掘接替紧张等关键难题。

1 项目概况

某煤矿4313-01 工作面为典型的薄煤层工作面，平均尺寸为180 m×1 900 m，平均埋深为130 m。经过对该工作面的勘察后确定，该煤层平均厚度在0.8～1.5 m 之间，属于典型的薄煤层。煤层可采面积为44.84 km2，大部分可采，且煤质较为稳定。但在以往的开采工作结束后，其留有的区段煤柱给后续煤层回采巷道布置带来较多困难，而且容易出现应力集中区域，成为沿空留巷技术应用过程中的一项难点问题。针对这一问题，技术人员从理论和实践两方面同时着手，对沿空留巷关键技术进行研究[2]。

2 沿空留巷技术参数研究和确定

2.1 确定切顶高度

在本环节研究中，技术人员结合已有的勘察资料数据，运用有限差分软件FLAC3D，建立切顶留巷数值模型，对围岩变化特征进行分析，分析结果如表1所示。

表1 不同切顶深度下围岩变化特征分析

从表1 中的数据可知，随着切顶高度的增大，巷道内部的应力随之降低，但在切顶高度达到一定程度后，应力的降低效果也随之减弱。剪应力则随着切顶高度增大呈现“先降后升”的态势[3]，当切顶高度为10 m 时，剪应力最小。

在此基础上，确定应力值较小的10 m 切顶高度进行水平位移分析，其分析云图如图1 所示。

图1 水平位移分布云图

从图1 中可见，切缝左侧的水平位移变化量较大，且明显高于右侧，经分析，此条件下的最大位移量为20 mm，证明在此条件下能够有效保持巷道稳定。在此基础上，由于勘察人员发现在10.5 m 处出现岩层分界，因此经过结合实际情况的研究后，确定切顶高度为10.5 m。

2.2 确定切顶角度

为分析切顶角度的影响，按照上文中设置切缝长度为10.5 m，调整不同的切顶面向采空区旋转角度，共计五种情况，仍采用FLAC3D 软件进行模拟分析，分析结果如表2 所示。

表2 不同切顶角度下的围岩变化特征分析

从表2 中的数据可见，随着切顶角度的增大，巷道围岩内部的整体应力呈现逐渐上涨的态势，表明在切顶角度较大时，应力集中峰值较高，对于巷道的稳定性也更为不利。由此，考虑尽量减小切顶角度的方案，但根据以往的研究经验可知，切顶角度为0°和10°时，施工存在诸多不便，因此确定切顶角度为20°。

2.3 确定和优化炮孔间距

结合现场情况与以往的工作经验，本次方案中，采用水平布置10 个炮孔的方式进行布置，从左向右分别编号为1～10，并对编号为2，4，5，7，8，10 的6 个钻孔进行装药爆破。炮孔间距控制为900 mm，深度为11.5 m，打设角度为70°，采用正向爆破串联起爆模式进行作业。

在爆破完成并检查安全后，采用相机拍摄和现场钻孔窥视的方法，对钻孔的形态和内部情况进行研究，结果如图2 所示。

图2 爆破后的钻孔整体形态（左）和内部窥视情况（右）

从图2 可见，爆破作业后，爆破孔整体情况良好，孔口处壁面均无破碎和明显裂缝，未对原有支护造成明显影响。同时，孔深范围内纵向裂隙分布较广，且在较大范围内纵向裂隙呈对称分布，证明爆破效果较为理想[4]。整体来看，本次炮孔间距平均孔隙率为93%，与传统模式下600 mm 间距的平均孔隙率96%相比明显减小，但满足切顶需求的最低值90%，且能够降低人力和物资消耗，因此确定炮孔间距调整为900 m。

3 沿空留巷关键技术实际应用测试

3.1 方案布置

经过理论计算和数值模拟后，并考虑实际情况，研究人员最终确定将沿空巷道布置在与上煤层煤柱内错距离为20 m 的位置，聚能爆破切顶高度为10.5 m，预裂角度为20°，炮孔间距为900 mm。同时，为进一步加强支护效果，采用高水材料进行充填，其中充填体宽度为1.6 m，材料水灰比则为1.5∶1。

在此基础上，技术人员增设补强支护，在充填体内部布置对拉锚杆进行补强。在本环节中，对拉锚杆共布置两排，间排距为800 mm，锚杆材料则选用直径为22 mm 的螺纹钢材料。整体支护示意图如图3所示。

图3 补强支护示意图

3.2 矿压监测及分析

为确保该工作面能够安全高效开采，工作人员布置矿压监测方案，该方案涵盖该工作面和巷道位置，并通过现场试验和理论分析相结合的方式对矿压的具体分布规律等情况进行监测。具体监测内容主要包括以下几个方面：应用锚杆应力计，在留巷段的每个测站各选4 根锚杆进行安装监测；使用测尺测量巷道表面位移，测点主要布设在顶底板中部竖直方向和两帮中部水平方向[5]；在留巷段的五个测站中，布置顶板离层监测仪器，对围岩深部位移进行监测。

通过相关监测后，技术人员得出如下结论：顶底板和两帮的移近量整体呈现变大趋势，但在60 m 以后的变化不甚明显，主要指20～60 m 范围内变化较为突出，顶底板最大移近量为90 mm，两帮最大移近量为80 mm，整体来看，顶底板和两帮的移近量均较小，证明巷道围岩变形量较小，围岩结构稳定，能够确保安全稳定生产的实际需要。锚杆最大应力为11 MPa，远小于锚杆的破断载荷，对抑制煤柱帮变形较为有效。

3.3 效益分析

在确定本次设计的沿空留巷关键技术具有可行性后，企业将这项技术投入实际测试，主要测试结果如表3 所示。

表3 沿空留巷关键技术指标对比

从表3 中的数据可知，在应用本次设计的沿空留巷关键技术后，其关键指标较传统模式相比均得到明显改善，也即证明这次技术模式的有效性。

4 结语

整体来看，在本次研究中，针对煤矿采空区下薄煤层的煤炭资源开采利用难题，结合实际情况和已有的研究经验，设计了符合实际需要的沿空留巷关键技术，确定了主要的技术参数，通过矿压监测分析环节可知，该技术能够为薄煤层安全高效开采提供保障。而后对其技术经济指标进行对比，对比结果表明，这项技术具有一定优势，有待于进一步研究和推广应用。