沿空留巷技术的探讨及应用

袁红起，王岩磊

(河南煤化集团永煤公司永贵能源雍和煤业，贵州 纳雍 553302)

沿空留巷技术实现了无煤柱护巷，是煤矿开采技术的一项重大改革。不仅达到了合理开发煤炭资源、提高回采率、减少巷道掘进工程量、缓解采掘接替矛盾的目的，而且促进了采煤方法的革新［1］。

永贵能源雍和煤业当前开采3#煤层，即龙潭组，煤层厚度1．2 ～2．4 m，平均 1．8 m，煤层倾角 22°～32°，煤层的自燃倾向为三类不易自燃煤层，属于煤与瓦斯突出矿井，煤尘无爆炸危险性，煤层相对较稳定。为了缓解采掘接替紧张局面，降低成本，根据矿井10302工作面地质条件及现有的支护工艺，在10302采煤工作面运输顺槽进行了沿空留巷试验，取得了良好的效果。

1 沿空留巷技术概述

沿空留巷是无煤柱开采时普遍使用的一种无煤柱护巷方式，对于提高煤炭回收率、改善巷道维护、降低开掘率，以及因保护煤柱和丢煤引起的井下灾害有明显的效果;随着无煤柱开采技术的应用和发展，使采区巷道的布置等诸多方面产生了相应变化［2］。

沿空留巷主要支护形式分为巷旁支护和巷内支护。巷内支护形式包括：刚性金属支架、U型钢可缩性金属支架、锚杆支护、锚网索支护、联合支护。巷旁支护主要形式：木垛、密集支柱、矸石带、砌块、巷旁充填带［1］。

不同的条件下可考虑不同的设计方案，最终的目的是既经济又能保证安全。

2 沿空留巷顶板岩层运动特征

研究表明，沿空留巷的顶板运动可划分为前期活动、过渡期活动和后期活动三个阶段［3，4］。

随着工作面的推进，后方直接顶失去支撑，在重力作用下出现沿充填体边缘的折断，折断的部分呈悬臂梁状态，由于直接顶垮落和老顶下沉，顶板主要变形形式是旋转，这一时期称作前期活动。

伴随着采空区直接顶垮落并充实，老顶折断垮落，最终老顶形成砌体结构;如垮落的直接顶不能填满采空区，老顶就会垮落以充填采空区，当充满采空区时，老顶便形成砌体结构;“硬集多载”效应使得煤体的刚度大于采空区冒落矸石的刚度，老顶的重量通过直接顶转移到巷旁煤体，煤体深部成为应力集中区域，老顶在下部冒落碎矸的支撑下逐渐稳定，从而使沿空巷道一定范围内的应力低于原岩应力，这一阶段称作过渡活动期。

由于矸石逐渐压实，形成稳定“大结构”的上位岩层也将折断、变形下沉，使煤壁乃至直接顶产生损伤，支承压力范围加大，峰值进一步内移，留巷上方顶板产生平行下沉，由于受老顶分层垮落的影响，巷道顶板下沉呈波动式;顶板运动以平行下沉为主，但下沉速度较小，此时的顶板活动称作后期活动期。

3 10302工作面地质状况

10302工作面是一采区三煤层第二个工作面，上部位于3#煤层露头线附近，切眼位于靠近西部边界，该工作面下覆有已设计的10402工作面。工作面范围由机巷、风巷、切眼圈定，走向长440 m，可采面积44 000 m2。工作面设计回采+1 797～+1 740 m，平均+1 770m;地面平均高程+1 950m，埋藏深度平均为180 m。地质条件为简单型，煤层厚度1．2～2．4 m，平均1．8 m;煤层倾角 25°～35°，平均 30°，为倾斜煤层、突出煤层;工作面正常涌水量为3 m3/h，涌水量相对较小;煤层顶底板状况为：直接和间接顶板岩性主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩及少量石灰岩，抗压强度为89．52 MPa，抗拉强度为6．13 MPa。直接和间接底板岩性主要为细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩，饱和抗压强度60．98 MPa。

4 沿空留巷联合支护技术

考虑到沿空留巷的矿压显现特点，结合矿井实际，10302下顺槽沿空留巷采取顶板补打锚索、巷旁工字钢密集支柱、木垛联合支护技术。沿空留巷断面图见图1。

图1 沿空留巷断面图

4．1 原架棚巷道支护

原巷道架棚支护采用矿用11#工字钢支护，净高×净宽为2 000 mm×2 200 mm。巷道为梯形断面，工字钢规格梁×腿为2．4 m×2．2 m，棚距700 mm。

4．2 架棚段巷道沿空巷道锚索超前支护

矿井3#煤层顶板较完整，沿空留巷时，为了有效控制顶板，除恢复架棚支护外，补打锚索进行加强支护，锚索间距2．8 m，锚索拉力不小于200 kN，另外每隔6 m打一处木垛。

4．3 施工工艺及顺序

沿空巷道施工基本可分为5个步骤，顺序为超前锚索支护、打设木垛、恢复工字钢棚支护并垛实、采空区背帮垛袋补强支护。

4．3．1 锚索施工工艺

超前回采工作面30 m施工，此工序为沿空巷道支护的第一道工序。锚索应用d15．24 mm高强度低松弛钢铰线，长6 400 mm，配合锁头、托盘制作;其中锚索有效长度为6 000 mm，外露部分400 mm;每孔用5根树脂锚固剂固定，锚固力不低于200 kN/根;托盘用10mm的钢板压制成300mm×300mm碟形，也可用长500 mm的11#工字钢制作。并在中间钻直径为18 mm的圆孔。锚固剂型号为 MSK2335、MSZ2335，每眼孔眼底装入1根 MSK2335，外侧用4根MSZ2335。

4．3．2 打设木垛

打木垛是沿空留巷的第二道工序，木料规格：1．8 m×0．2 m×0．2 m型方木，架设要求：1)架设木垛上下两面要平整。2)刷头要齐整，搭接外露长度不小于100 mm。若木料长短不一时，靠煤壁一侧的刷头必须整齐。3)架设木垛架地点底板要整齐，最低一层木料要铺在硬底上，且垂直煤壁，垛体迎山有劲，压茬上下对正，四拐成直角，四拐打抱柱。4)木垛用木楔打紧，木垛顶底板要与梁子接平、接紧，不准重楔或将木楔打在木垛最上部。

4．3．3 煤垛与工作面端头施工工艺

工作面端头采用单体液压支柱DZ22－22/100配合金属铰接顶梁HDJB－1200，“四·六”排管理控制顶板，棚间距600 mm，配合每棚中间用四对八根长3．6 mπ型梁交错迈步式支护。工作面端头长5 m，超前一排施工。为了便于煤垛施工，单体铰接顶梁滞后一排。端头超前施工时，在顶梁上沿工作面方向每间隔600 mm放置1块2 400 mm×200 mm×60 mm的两面平木梁。木梁的刷头为150 mm，下端头距下顺槽巷中1 500 mm并保持一致。

煤垛施工要求：栽上工字钢腿，保证巷道净高2 m，扎脚77°，背上钢网。煤垛施工为沿空巷道支护的第三道工序，其宽不小于1．5 m，用编织袋装入煤矸石砌筑而成，煤垛外侧距下顺槽1．7 m(架棚段1．6 m)，砌筑时，编织袋每层3只，分层横竖码放，袋口扎紧方向朝里。砌筑煤垛必须始终在第5排进行。当采煤工作面端头支护达到6排时，在准备砌筑煤垛的地点，立即在木梁的两端头打牢2根单体，随即回掉该地点的一排柱子及铰接顶梁，在两棚木梁及第6排的支护下进行砌筑。当砌筑接近顶板时，拆除木梁，立即用半圆木或背板接实顶板。端头支护第6排的其它支柱即可回撤。每处煤垛砌好后，检查各缝隙，如有漏风现象，用黄泥封堵。

煤垛砌筑好后，在煤垛的外侧，按照设计要求打牢工字钢点柱。如此反复往前进行完成煤垛及点柱的施工。10302下顺槽沿空留巷下端头处施工平面图见图2。

图2 10302下顺槽沿空留巷下端头处施工平面图

5 经济效益对比

根据沿空留巷支护方案，主要材料平均费用为：工字钢1 000元/m、锚索100元/m、钢网80元/m、编织袋5元/m、木垛(方木)180元/m、工资1 000元/m，后期修巷500元/m，合计2 865元/m。而掘进巷道费用为4 000元/m，比沿空留巷每米多1 135元，因此，沿空留巷比掘进巷道节省费用49．94万元。由于沿空留巷可回收煤柱，煤柱按照3 m宽计算，可多回采原煤8．1 t/m。利润平均按200元/t计算，可增加盈利1 620元/m。采用沿空留巷可回收的煤柱煤量为3 654 t，回收的煤柱总利润为71．28万元。沿空留巷比掘进巷道节约合计121．22万元。假如掘进巷道预留煤柱煤层变厚或煤柱加宽，则沿空留巷回收的煤炭价值高于此理论值。

6 结语

1)对于高瓦斯矿井，掘进过程中需要治理瓦斯，甚至先掘瓦斯抽放巷道，采用沿空留巷技术，可以缓解采掘接替紧张的局面。

2)相对于掘进巷道，沿空留巷可节约121．22万元。在煤矿开采过程中，由于种种原因留下许多煤柱而不能采出。煤柱中数量最大的损失就是各类巷道的保护煤柱，尤其是护巷煤柱［5］。应用沿空留巷技术，可提高采区回采率，减少资源损失，同时降低了万吨掘进率，创造可观的经济效益。

3)选择支护方案要依据工作面的具体条件，不同的支护方案经济效益差距较大，安全系数也会随之改变。

［1］ 华心祝．我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议［J］．煤炭科学技术，2006(12)：78－79．

［2］ 刘 毅．德国煤矿沿空留巷技术简介［J］．山西焦煤科技，2006(10)：44－45．

［3］ 李化敏．沿空留巷顶板岩层控制设计［J］．岩石力学与工程学报，2000，19(5)：651－654．

［4］ 孙恒虎．赵炳利．沿空留巷的理论与实践［M］．北京：煤炭工业出版社，1993：39－100．

［5］ 张现民．沿空留巷在新安煤矿15081工作面的应用［J］．中州煤炭，2010(8)：73－76．