无煤柱沿空留巷新技术在中厚突出煤层综采面的应用

【摘要】1.1沿空留巷技术定义 传统沿空留巷技术：工作面运输平巷或回风平巷按正常设计断面掘进，沿空留巷时，在采空区靠巷道一侧进行充填形成条带。巷内充填沿空留巷新技术 ： 即原运输平巷...

【摘 要】本文主要针对王家营青利煤矿八层煤层群上部主采层 3#中厚突出煤层。在1301首采面运输巷应用无煤柱沿空留巷技术，实现了低透气性煤层群煤与瓦斯共采，减少了半煤岩巷道掘进率，缓解接续紧张。无煤柱开采，提高资源回收率，增加了经济效益，“U”型通风，工作面增大通风压力及风量，减少工作面采空区及上隅角瓦斯涌出，防止瓦斯灾害发生。

【关键词】突出煤层；无煤柱；沿空留巷；组合梁；开采技术；经济效益

0.前言

我国煤矿企业目前积极倡导和推广应用无煤柱沿空留巷开采技术，在煤矿企业实施过程中，有的成功，有的失败，究其原因，大部分则为没有掌握无煤柱沿空留巷开采技术的适用条件，就盲目组织施工，对沿空留巷前所施工的巷道没有做充分的准备，对沿空留巷前巷道顶底板岩性、地质构造、周期来压等没有充分的考虑，加之沿空留巷支护强度承载能力不足导致变形、断裂，无法修复，采空区漏风造成瓦斯等有害气体涌出或采空区煤炭自燃而引起火灾。这些因素是沿空留巷失败的主要原因。

1.沿空留巷定义、适用条件、支护机理

1.1沿空留巷技术定义

传统沿空留巷技术：工作面运输平巷或回风平巷按正常设计断面掘进，沿空留巷时，在采空区靠巷道一侧进行充填形成条带。巷内充填沿空留巷新技术 ： 即原运输平巷或回风平巷一次成巷时 ， 就按大断面掘进 ，沿空留巷时，在巷道内靠采空区一侧进行充填形成条带，整个充填带不在采空区里面，受原巷内支护的保护，将传统的巷旁充填变革为巷内充填，既有利于充填体的稳定性控制，又有利于充填工艺的安全与方便实施。

1.2沿空留巷的适用条件

留巷顶底板岩性稳定，整体性较好；无地质构造或构造较小；周期来压均衡；直接顶控制高度较小，容易掌控；对原掘进巷道预先按大断面掘进，主要增加断面的宽度，为留巷砌筑隔墙留有一定的宽度；充填材料、施工工艺及进度同采煤工作面生产力相适应。

1.3沿空留巷支护机理

对留巷顶板采取加强支护措施，巷道顶板采用组合梁理论进行设计支护，用锚杆对直接顶进行锚固形成组合梁，再用锚索锚固在老顶稳定围岩上进行悬吊，这样就阻止了留巷顶板下沉变形断裂， 控制岩层高度取到老顶上部；同时在留巷内靠采空区一侧进行充填形成条带隔墙，隔墙外靠采空区一侧顶板采用锚索、木垛、单体联合支护方案，联合支护后在砌筑隔墙，隔墙采用花岗岩料石砌筑，隔墙断面为近等腰梯形，上宽0.8米，下宽1.2米，中高2.83米，沿空留巷隔墙支护强度经现场验证满足要求，留巷顶板没有形成离层。详见1301综采面运输巷沿空留巷剖面图（图1）。

1301综采面运输巷沿空留巷剖面图（图1）

2.沿空留巷技术方案的实施

2.1煤层地质与开采技术条件

根据国内沿空留巷经验，本矿沿空留巷选定王家营青利煤矿一采区首采面 1301综采工作面的运输顺槽中实施，1301综采工作面开采3#煤层，煤层平均厚度 1.7米 。煤层伪顶为泥质灰岩薄层，厚度0.1-0.8米，具有生物碎屑结构；直接顶大部分为砂质泥岩，厚度一般在 2.8米左右；老顶是以粉砂质泥岩、泥质粉砂岩为主的砂岩互层，厚度一般在 11.49米左右；煤层伪底为泥岩薄层，厚度平均2.5米，其下为粉砂质泥岩，厚度平均9.5米。瓦斯绝对涌出量 13m3/min 瓦斯相对涌出量为8.9m3/t，3#煤层经鉴定属Ⅲ类不易自然。

2.2沿空留巷整体稳定性监测

为探讨充填隔墙宽度、充填体强度对沿空留巷效果的影响， 以便评价充填体参数对沿空留巷围岩稳定控制效果的影响，我们在留巷顶板每隔50米安装一组顶板离层仪，每日设专人进行顶板离层观测，绘制顶板离层特性曲线图，以便动态了解顶板下沉量情况，为及时加强支护提前做好预警工作，通过井下现场实测，顶板下沉量最大30毫米，满足回采工作面顶板垮落应力调整期间的最大承载要求，沿空留巷整体稳定性较好。

2.3沿空留巷施工顺序及步骤

首先对1301综采面运输巷采用大断面巷道锚网索联合支护，提前对原位沿空留巷进行预加强支护和预留一定的宽度；二是回采前在工作面前方运输巷内，提前砌筑隔墙；三是做好沿空留巷前工作面2.5米宽顶板条带的临时支护，工作面每推进1米，在2.5米宽条带中间1.25米处架设一根单体柱，单体柱间距1.0米；四是沿空留巷2.5米顶板条带永久支护，采用锚索、木垛联合支护，锚索间排距1.5×2米，每排2根，长度6.4米，锚固在顶板老顶稳定岩层中；木垛间距4.0米，坑木长度1.4米，永久支护完毕方可撤掉临时支护单体柱，严禁空顶回采。五是及时砌筑隔墙，工作面推进多少米砌筑多少米，防止采空区漏风，砌筑隔墙设专业队伍进行，便于施工管理和保证隔墙工程质量。详见1301综采面运输巷沿空留巷平面图（图2）

2.4 应力调整期间临时补强加固技术

应力调整期间是指滞后工作面 100米范围内受采动影响的区域，采取单体液压支柱的加强支护形式。单体柱铰接顶梁 ，靠近工作面隔墙里侧采用一梁三柱，阻止留巷顶板围岩下沉变形。留巷稳定后巷道断面面积大于10m2，满足了留巷的要求。

1301综采面运输巷沿空留巷平面图（图2）

2.5沿空留巷通风系统布置

沿空留巷通风系统布置，因采场布局方式、巷道布置条件的不同而分为两种。一是矿井进行采区设计时，应优先考虑沿空留巷Y型通风方式适用条件的巷道布置，做到生产系统满足沿空 留巷 ， 实行Y型通风的需要，主要利用边界回风巷道构筑Y型通风。在采区边界布置一条回风上山，采区各工作面在切眼位置施工回风联巷与边界回风上山连通，形成Y型通风道。二是改造现有的巷道系统 ， 使拟采用沿空留巷Y型通风开采的工作面具备稳定可靠的二进一回。1301综采工作面3#煤层瓦斯已抽采达标，残余瓦斯含量最大5m3/t，工作面绝对瓦斯涌出量最大4m3/min，工作面配风1500m3/min，回风流瓦斯浓度最大0.23%，上隅角瓦斯从未超限，根据这一事实1301综采工作面采用“U” 型通风方式。详见1301综采面通风系统图（图3）

3.沿空留巷经济效益分析

1301运输巷原有巷道成本为 4700元/m（ 包括材料、 人工 ）；沿空留巷增加支护成本9000元/m（含增加的3.5米条带永久支护材料隔墙、锚索、木垛等）。

3.1沿空留巷节约成本

沿空留巷节约成本合计18312.5元/m。

（1）节省瓦斯抽放钻场巷道250米，58.75万元，2350元/m。

（2）节约巷道防突抽放钻场及工作面钻孔工程量19500米（其中钻场15000米，工作面钻孔4500米）， 节省打钻费用146.25万元，1462.5元/m。

（3）回收煤柱2.5万t，1000万元，合10000元/m。

（4）少掘进一条回风顺槽，节省资金 450万元，4500元/m。

1301综采面通风系统图（图3）

3.2沿空留巷综合效益

根据以上分析，沿空留巷砌筑隔墙及条带加强支护需投入成本约9000元/m；沿空留巷节省费用合计18312.5 元/m；因此，沿空留巷的综合经济效益为 9312.5元/m， 1301综采工作面运输巷沿空留巷1000 m， 经济效益 931.25 万元。

3.3沿空留巷社会效益和优点

（1）实现了低透气性煤层群煤与瓦斯共采，达到瓦斯抽采的最大化。

（2） 采用无煤柱开采先进新技术，实现了复合煤层群下部被保护煤层的解放，有利于瓦斯治理。

（3）留巷本煤层倾向长钻孔预抽瓦斯，抽放效果好，节省至少两条用于瓦斯治理的高抽岩巷工程及大量钻孔工程，“一巷二用”，简化了开采布局和采区巷道系统。

（4） 减少巷道掘进量，缓解采掘接替紧张的矛盾。

（5）回收区段煤柱 8-20m，提高采区资源回收率5～8%。

（6）Y型通风条件下，工作面温度相对下降3～5℃且作业人员多在进风流中工作，改善劳动作业环境，利于深井开采的热害治理。

（7）抽采的高浓度瓦斯可直接高效利用，实现煤矿安全高效生产和环境生态保护的和谐 。

4.重要结论及成果

通过对王家营青利煤矿1301综采工作面运输巷（1000m）采用无煤柱沿空留巷新技术，取得了以下重要结论及成果：

（1）提出巷内充填原位沿空留巷新概念，即在巷道内靠采空区一侧进行充填形成条带 ， 整个充填带不在采空区里面，受原巷内支护的保护。既有利于充填体的稳定性控制，又有利于充填工艺的安全与方便实施 。

（2）对1301综采面运输巷采用大断面巷道锚网索联合支护，提前对原位沿空留巷进行预加强支护和预留一定的宽度，然后对工作面后方沿采空区侧顶板条带进行补强支护， 再进行巷内充填隔墙； 并对充填体隔墙进行及时加固，该方案现场操作性强，切实可行。

（3）建立了1301综采工作面运输巷原位沿空留巷矿压观测，分析围岩变形下沉与充填体隔墙的整体稳定性，以便及时采取补强措施。

（4）对留巷顶板采取加强支护措施，巷道顶板采用组合梁理论进行设计支护，用锚杆对直接顶进行锚固形成组合梁，再用锚索锚固在老顶稳定围岩上进行悬吊，这样就阻止了留巷顶板下沉变形断裂， 控制岩层高度取到老顶上部；同时在留巷内靠采空区一侧进行充填形成条带隔墙，隔墙外靠采空区一侧顶板采用锚索、木垛、单体联合支护方案，联合支护后在砌筑隔墙，隔墙采用花岗岩料石砌筑。对1301综采工作面运输巷原位沿空留巷进行分析 ， 探讨了充填宽度、充填体强度对空留巷围岩整体效果的影响。分析得出，过低的充填体强度达不到留巷的要求，过高的充填强度会使充填体不能适 当的变形让压，也会导致围岩变形较大。

（5）充填材料料石隔墙，满足留巷围岩控制的强度要求。同时对充填体隔墙进行了加固措施，使充填体保持整体性和稳定性，留巷稳定后的最终巷道断面面积大于 10m2。

（6）王家营青利煤矿首采区3#突出煤层1301综采工作面运输巷成功采用沿空留巷无煤柱开采新技术，获得巨大的经济技术效益，缓解了采煤工作面接续紧张的被动局面，下一个接续面1303综采工作面运输巷或其他采区各工作面运输及回风巷，如地质条件没有发生较大变化，具备沿空留巷的条件，也同样采用这种办法，相信沿空留巷无煤柱开采新技术在全国煤矿企业类似矿井中必将大力推广应用。