薄煤层运输巷沿空留巷技术研究与应用何启旺

薄煤层运输巷沿空留巷技术研究与应用何启旺

何启旺

山东里能里彦矿业有限公司山东273517

摘要：本文通过理论分析、试验分析和现场实测等方法对里彦煤矿薄煤层综采工作面运输巷充填沿空留巷技术进行了研究。根据对里彦煤矿薄煤层顶底板应力分析，确定了沿空留巷的支护参数。通过对胶固料与粉煤灰按比例混合充填体的试验分析，确定了布置合理的沿空留巷充填系统。现场工业性试验的结果证明本研究成果能够很好的指导实际生产。通过顶板离层观测表明沿空留巷变形小于煤柱留巷，经济效果显著。

关键词：薄煤层沿空留巷充填体抗压支护

我国煤矿开采过程中，普遍采用全部垮落法管理顶板，这样工作面的两条巷道随工作面推进而跨落，只能使用一次，临近工作面回采时需要重新开掘两条巷道。而实施沿空留巷技术可以减少一条巷道的掘进量，并且不用保留煤柱，不失为一种降低成本、提高效益的好方法。随着里彦煤矿掘进的增多，生产工作接续紧张，为减少资源量损失，提高煤炭的回收率，缓解采掘接替矛盾，在16707工作面运输巷实施充填体支护沿空留巷技术。

1.沿空留巷围岩空间结构及巷旁支护体作用机理

16707工作面位于16上煤层中，16上煤平均厚度0.93m，f=2.5～3，顶板为十下灰岩，平均厚度4.85m，f=12，底板为粘土岩，厚度1.2m，f=4～6。

1.1沿空巷道矿压分析

作为沿空留巷的最为关键的是研究支撑隔离带上部顶板的矿压特征，以确定合理的支护形式和支护强度。研究留巷顶板的矿压特征以确定合理的顺槽初期支护方案和支护参数。

1.2沿空留巷巷旁支护的作用机理

①巷旁支护体应具有早期强度高、增阻速度快的力学特性，紧随工作面构筑，及时支护直接顶，控制巷道围岩变形，与巷内支护共同作用，确保巷道内直接顶不破碎、避免与上部基本顶离层，并切断采空区侧的直接顶，减小巷旁支护体所承受的载荷。

②回采面的推进，必然引起基本顶破断、失稳、剧烈沉降，在基本顶破断时巷旁支护体的支护阻力应达到切顶阻力，切断采空区侧基本顶，减小巷旁支护体载荷。

③巷道围岩运动稳定后，巷旁支护体具有的支护阻力为后期支护阻力，其大小应能够维持巷道上方已切断岩层的平衡，同时将巷道顶板下沉量控制在设计范围内，一般后期支护阻力小于切顶阻力。

2.沿空留巷支护方案设计

2.1支护体载荷计算

计算支护体载荷采用英国威特克的“分离岩块法”，该理论计算方法认为，巷旁支护带处于未采动煤体的高压力区和冒落矸石之间，是一个降压区，岩块一边的采空区提供一个主要自由面，因岩块呈层状，可能在一定高度H上产生离层，导致岩块沿煤体以θ角断裂，进入完全自由状态，成为支护体的载荷。

16707上顺槽的煤层平均厚度为0.93m，巷道顶板与煤层的倾角相同，简化计算模型时需考虑重力与支护结构之间的夹角。

里彦煤矿巷旁支护为充填3m，留2m，计算可得支护厚度为2m时支护体的载荷为：

2.3支护体承载力验算

单位长度、厚度2m的充填体承载能力为9108kN，大于支护体的载荷3036kN，安全系数可达3.00。

3.充填工艺选择与充填体基本参数确定

3.1配比抗压实验

通过实验数据分析，里彦煤矿采用的粉煤灰含水量都在1%范围内，符合现场使用要求。综合考虑粉煤灰的细度和需水量比的差异，充填开采实验配置不同配方粉煤灰进行时间函数抗压试验。试验数据详见以下各表：

从数据可以看出，在相同的流动度下，配方二粉煤灰的用水量明显高于其他配方的需水量，抗压强度不够。配方三的用水少抗压强度尤其是15d以后的明显高于其他三种配方的抗压强度。同时考虑粉煤灰的胶固料配方差别很大，为便于现场操作和充填效果建议里彦煤矿优先采用强度效果较好的配方三进行沿空留巷。

综合考虑充填体几何形状，同时宜于操作，确定充填体几何尺寸为：长×宽×高=3000mm×2000mm×930mm，充填体的宽度可根据现场实际做适当调整。16707工作面每次充填长3.0m，宽2m，按平均高度0.93m计算，则一次充填体积V=3.0×2×0.93=5.58m3。按高水胶结料浆体体积浓度60.31%的配比，高水胶结料的密度为1.688计算，则一次充填需用胶固料2.33t、粉煤灰3.35t。

4.充填支护设计

综合考虑巷道围岩特性以及留巷断面的要求，确定将工作面充填体全部置于采空区。

由沿空留巷矿压显现一般规律可知，工作面至后方约20～40m范围内围岩活动剧烈，矿压显现明显，80m以外矿压显现不明显，围岩趋于稳定。因此需对该范围巷道进行临时加强支护，方法为架设1.0m铰接顶梁及单体液压支柱组成的走向梁，加强范围为滞后工作面约80-120m，在地质条件较差的地段可适当扩大加强范围120m。

5.经济效益与社会效益

5.1经济效益

回收5m护巷煤柱，采高0.93m，留巷3640米：5m×0.93m（厚度）×3640m×1.25t/m3＝21157吨，煤炭售价560元/t，经济价值为：21157t×560元/t＝1184.8万元。当16707工作面平均采高为0.93m时，每次充填3m，用工8人，沿空留巷成本估算留巷3640m，每米成本1226元计算费用为3640×1226=446.3万元。里彦煤矿工作面沿空留巷使工作面少掘3640米巷道，巷道掘进成本大约为3000元/m；可节约费用为：3000×3640=1092万元。

综上，经济效益为：1184.8－446.3+1092=1830.5万元。5.2社会效益

1、沿空留巷的成功实施可提高里彦煤矿的煤炭资源回收率；

2、采用巷旁充填沿空留巷保留的巷道较完好，延长了矿井服务年限，并可促进采煤方法和巷道布置的改革；

3、充填工艺简单，操作方便。充填系统具有结构简单，价格低廉，拆、移、装方便的特点；

4、和掘进新巷相比，同样准备一个工作面可少掘一条巷道，可大大缓解回采工作面接替紧张的局面。

6.参考文献

全部垮落法控制顶板垮落及安全技术措施《科技风》2011年第9期衣洪梅

柔性模板泵注混凝土在沿空留巷支护技术的应用《煤矿支护》2010年第4期周金城

作者简介：何启旺，男，工程师，2006年毕业于山东科技大学安全工程专业，工作于山东里能里彦矿业有限公司，现从事煤矿通防安全工作。