山东东山新驿煤矿有限公司 山东兖州 272100
摘要：在我国煤矿开采中留设的区段煤柱大多被遗弃，造成煤炭资源的损失。再加上区段巷道的开掘、准备和维修费用增加了开采成本。因此，研究区段间不留煤柱，可提高煤炭回收率，对实现矿井高效生产和可持续发展具有重要的意义。很多学者对不同开采条件下薄煤层沿空留巷进行了研究，为煤矿薄煤层沿空留巷提供了理论和技术上的依据。坚硬灰岩顶板和泥岩底板情况下应用沿空留巷技术，少掘一条回采巷道，降低掘进率，减少掘进排矸量，达到了薄煤层安全高效开采的目的。
关键词：薄煤层；硬顶软底；沿空留巷技术；应用
引言
薄煤层工作面开采面临半煤岩巷道掘进工程量大、成本高等问题，为此开展了薄煤层坚硬顶板沿空留巷研究与应用
1工程概况
某地区煤矿1510工作面为薄煤层工作面，平均煤厚1.3m，煤层结构简单，倾角0~5°。煤层直接顶细砂岩，厚度为3.20~6.7m，平均厚度4.60m，上部有一层泥岩，厚度为1.30~1.50m，平均厚度为1.40m。直接底为砂质泥岩，厚度0.65~6.6m，平均厚度为3.2m。
2沿空留巷支护形式确定
2.1伸缩梁结构
伸缩梁是利用废旧的U型钢支架经过加工处理后的直梁，其长度1.2~1.8m不等，在伸缩梁一端头焊接一个与伸缩梁呈135°夹角的U型钢段，其长度约为150左右。采取同样的方式在另一根伸缩梁的另一端头焊接长度和与伸缩梁夹角一样的U型钢段。根据沿空留巷的宽度选取两根伸缩梁用4套普通卡缆进行固定顺直交错搭接对巷道进行加固，结构示意图如图1所示。
图1伸缩梁结构示意图
2.2加固原理
在采煤工作面两巷U型钢支架尚有一定承载能力，巷道有效断面满足安全生产需要之前，使用伸缩梁加固U型钢支架配合坑木对U型钢支架施加周边支撑力，可有效地起到承载垂直及水平支撑压力作用，从而控制巷道变形。
3沿空留巷围岩运动数值模拟研究
3.1模型的建立
以该煤矿1510工作面运输巷道为工程条件，建立薄煤层沿空留巷数值模拟模型。模型x轴方向的长度为180m，工作面长度120m，y轴方向的长度为80m，z轴方向的高度为50m，煤岩层看作水平，煤层平均厚度1.3m，煤层平均埋深500m。
3.2巷道围岩应力变化
通过数值模拟分析工作面开挖20~60m围岩塑性区。煤层未开采时巷道两帮的煤体产生部分塑性破坏，这是巷道受掘进的采动影响。工作面推过20m后，巷旁木垛部分和木垛外侧顶板处受到的采动影响较严重，这是由于煤层采出后，采空区上方顶板向下运动造成的。工作面推过20~60m之间，巷道底板和煤体的塑性破坏较为严重，但木垛巷道一侧支承应力低于采空区一侧。工作面推过60m后，巷道受影响程度已经大大降低，说明工作面推过一定距离后，煤体的应力状态已经基本不受前方采动的影响。
3.3沿空留巷巷旁木垛中心距确定
巷旁支护参数模拟不同巷旁木垛中心距情况下巷道应力和变形，监测点设置同上文一致。模拟方案为：方案一：巷旁木垛中心距4.8m；方案二：巷旁木垛中心距3.6m；方案三：巷旁木垛中心距2.4m。（1）巷道围岩应力状态变化对三种方案的巷道围岩塑性区状态进行分析，可以得出：从木垛采空区侧上方顶板的应力状态变化来看，方案三的切顶能力最强，其次为方案二，最差的是方案一，随着巷旁木垛中心距的减小木垛切顶能力会增强，且底板破坏会减小。（2）沿空巷道两帮应力分布沿空巷道的煤体与木垛两帮承受垂直应力的分布情况见表1所示。
表1沿空留巷两帮垂直应力分布
由表1可以看出，木垛侧的支承压力远大于煤体侧的支承压力，木垛中心距越小，承受垂直压力越大，木垛侧应力集中系数越高，相对应的煤体承受垂直应力却降低。所以，减小木垛中心距有利于减小巷道煤帮的压力和变形。
综上，方案一不能满足安全生产的要求；方案三对巷道围岩的控制效果优于方案二，故选用方案三，也就是用木垛中心距为2.4m作为巷旁支护体进行沿空留巷。
4沿空留巷技术应用分析
4.1“超前单体+铰接顶梁”支护
为确保巷道留设的安全有效，最大化削减回采作业中超前支撑压力对留设巷道的负面影响，提升巷道稳定性。需在巷道内超前作业面20m区域布设加强支护，采用“单体液压支柱+铰接顶梁”的支护形式，铰接顶梁长1200mm。
4.2顶板锚索补强
针对留巷顶板进行锚索补强，每排补打锚索3根，排间距800mm，同原有锚索交错布设。其中1#锚索贴紧作业面煤帮布设；2#锚索布设于充填体正上方，选用工字钢进行相连；3#锚索在距另一侧帮壁1000mm处布设。1#锚索直径22mm，长8000mm；2#和3#锚索直径22mm，长8000mm。
5沿空留巷支护效果与经济效益
5.1留巷段围岩变形量分析
采用“十”字布控法对其进行数据收集、分析，即在靠近采空区侧顶底板各设一组基点，用卷尺测量上帮顶底移近量；在靠近实体煤侧顶底板各设一基点，用卷尺测量下帮顶底移近量；在两帮各设一基点，用卷尺测量两帮移近量。自1510轨道顺槽沿空留巷开始至工作面回采结束，成功留巷300m，巷内支柱完好，巷道净高基本保持在1.8～2.0m，巷道净下宽保持在3.2～3.4m，基本达到预期效果。
5.2留巷段防漏风效果分析
为对不同来压期间采空区瓦斯涌出量进行对比验证，分别对1510工作面3次周期来压期间上隅角（1）完善制度，加强落实。建立和不断完善安全政策，加大执行力度，加强煤矿安全管理，对于管理存在的漏洞和三违现象要严加处理。（2）局部通风机必须实现“三专两闭锁”。三专即必须使用专用变压器和专用开关，另外电缆不允许搭接其他用电负荷。两闭锁即要有风电闭锁和瓦斯电闭锁。技术人员要定期对通风机进行检查为维护，及时掌握通风机运行状况和供电系统情况，确保正常可靠的运行。（3）加强培训，提高技术人员的专业水平。通过定期培训与考核，提高技术人员的理论知识水平。
5.3经济效益分析
煤矿1510面运输巷沿空留巷经济效益分析主要包括沿空留巷费用、掘进费用及回收煤柱利润。沿空留巷费用为3250元/m，掘进半煤岩巷费用为6277元/m，回收煤柱利润为5188元/m，故工作面沿空留巷比沿空掘巷利润多8215元/m，1510面运输巷留巷长度为360m，带来经济效益295．7万元，且实现了无煤柱回采，节约了煤炭资源，经济和社会效益明显。
6结论
实践表明，与留煤柱护巷相比较，沿空留巷在技术上和经济上都具有很大的优越性，主要表现在：（1）沿空留巷可以实现无煤柱开采，因而比留煤柱更能提高回采率。在此煤矿沿空留巷与留煤柱护巷相比，一般可使采区回采率提高7.6~15%。（2）沿空留巷可以较大降低掘进率，缩短采区的准备时间，在此煤矿，沿空留巷一般可使采区巷道的掘进率降低25~30%。（3）由于沿空留巷处于固定支承压力的免压圈内，巷道维护状况可以得到改善，降低了此煤矿的巷道维护费用。此外，由于彻底取消了煤柱，对改善近距离煤层的巷道维护十分有利。（4）沿空留巷与沿空掘巷相比，不需要滞后掘进，工作面可及时接替，保证生产顺利进行。因此，沿空留巷的经济效益是显著的。该采区顶板属坚硬顶板，同时地质条件较复杂，断层较多，在以后的留巷过程中应适当缩小木垛中心距以加大切顶强度，同时加强矿压监测，预报顶板来压，并确定强化支护范围。
结束语
该煤矿1510工作面运输巷巷旁充填及加强支护实现了沿空留巷，巷旁充填宽度为3m，充填体1d单轴抗压强度≥1．5MPa，并进行了加强支护，沿空留巷效果显著，并带来295．7万元效益。采用沿空留巷提高了采区回采率2%-3%，实现了无煤柱开采，保证了回采工作安全。
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论文作者:翟正州
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/5
标签：巷道论文; 煤层论文; 工作面论文; 顶板论文; 围岩论文; 应力论文; 煤矿论文; 《建筑学研究前沿》2018年第24期论文;