沿空留巷技术在薄煤层工作面的应用.doc

沿空留巷技术在薄煤层工作面的应用
摘要：根据我矿四层煤赋存比较浅，在不会出现“内应力场”的条件下，为进一步改善巷道围岩状态，提高采区回采率和劳动效率，通过改革巷道支护形式，合理留设煤柱宽度，推广应用了沿空留设短小煤柱护巷技术。经过对4201、4203工作面的回采，逐步证实了此项技术措施在安全上可靠，技术上可行，经济上合理，满足了生产的需要，取得了较好的经济效益和社会效益。
关键词：地质条件；支护参数；煤柱计算；安全回采
一、前言
煤炭作为不可再生资源，随着矿井开采深度的增加和开采服务年限的延长，厚煤层、中厚煤层煤炭资源接近枯竭，薄煤层的开发和利用成为当今中小型煤矿企业开采的重点对象。薄煤层工作面通过采用沿空留巷技术，合理集中生产，不仅节省了巷道掘进工程量，还通过合理留设煤柱宽度，对提高煤炭资源回收率具有重要意义。通过对巷道支护形式进行改革，对巷道实行预应力锚索加强支护，增加节理裂隙面或岩块间的摩擦阻力，防止岩块的转动和滑移，增大了岩体的粘结力，提高了围岩的整体性；并通过理论计算合理留设实体煤柱，尽量维持原岩的三向受力状态，保证了巷道一定量的变形量,减少了巷道维修和维护量，对满足工作面的正常生产发挥了重要的作用。
二、工作面地质条件
1、矿井开采技术条件
隆源煤矿位于肥城煤田西部，在肥城市湖屯镇境内，开拓方式为立井单水平上下山开拓，通风方式为中央并列式，通风方法为抽出式，设计生产能力15万t/a，核定生产能力18万t/a。矿区面积为4.4264km2，开采标高为-30m至-700m。现有-140生产水平，开采3、4两层煤，共布置两个生产采区，分别是3400采区和4200采区，安排两个采煤工作面：一个炮采工作面，一个机采工作面；三个掘进工作面：一个机掘工作面，两个炮掘工作面。矿井保有资源储量4051.6万t，可采储量836.4万t；其中：四煤层面积1489119m2，平均煤厚0.95m，视密度1.31t/m3，基础储量106.1万t，可采储量84.9万t。
2、工作面地质条件
（1）井下位置
4203工作面位于4200采区东北部，回风巷与4200运输巷相通，进风巷与4200轨道巷相通，西部、南部为未采动区域。工作面标高：-182m～-191m，地面标高+82m～+83m。
（2）煤层赋存情况
4203工作面所采煤层，属山石炭--二叠纪月门沟群山西组，为不稳定的局部可采煤层，厚度0～1.05m，平均煤厚0.95m，视密度1.31t/m3。变异系数为27.60%，可采性指数为0.8。该煤层为简单结构煤层，煤层倾角4～6°。
煤层平均瓦斯含量为1.63m³/t，二氧化碳含量3.17m³/t，属低瓦斯、低二氧化碳矿井。
煤层自然发火期6-8个月，煤尘爆炸性指数38.64%，属Ⅱ类自然煤层。
（3）煤质情况
煤层工业牌号为气煤，条痕褐色至黑褐色，为半暗型煤，常见为参差状和阶梯状断口，内生裂隙发育，煤的脆性大。为特低-低灰、低-中硫、低磷、属高热值、结焦性很好的气煤。
（4）地质构造情况
工作面总体上为向东南倾斜的单斜构造，煤层倾角4°左右，本区域内无陷落柱及火成岩侵入现象。
（5）围岩及其特征
顶板多为粉砂岩或粉细互层，岩石致密坚硬，f=5-6，主要为石英和长石，顶板裂隙中等发育；底板为粉砂岩或砂质粘土岩，具可塑性，f=3-4，遇水变软易造成支柱“钻底”，属Ⅱ类底板。
（6）水文地质条件
本区域主要含水层为4煤顶板砂岩，厚度约14m，裂隙发育且局部赋水，在顶板破碎处以淋水形式流入工作面，预计正常涌水量1m3/h最大涌水量3 m3/h。
3、工作面回采工艺参数
3.1工艺参数
4203采煤工作面，为4200采区第二个工作面，倾向长120m，走向长度340m。
3.2工艺流程
割煤准备→割煤、装煤→挂梁、临时支柱→移溜→支柱→回柱。工作面端头开切口，直接推入法进刀，双向割煤。
3.3采煤方法
根据煤层赋存条件及巷道布置方式确定采用单一倾向长壁后退式机采采煤方法。工作面采用MG111-TD型采煤机组进行割煤、落煤、装煤，设计割煤高度1.1m，截深1.0m，使用SGW-40T刮板输送机和SPJ-650胶带输送机运输。使用HDJA-1000型金属铰接顶梁配合DZ型外注式单体液压支柱支护，排距1.0m，柱距0.85m，沿推采方向以正悬臂齐梁齐柱直线式支护顶板，采用“见四回一”的控顶方式，采空区以全部垮落法管理顶板。工作面初冒步距15～30m；初压步距20～50m；周压步距10～12m。
3.4作业方式
工作面采用追机挂梁的劳动组织形式，坚持正规循环作业，实行“边采边准”三八制作业方式。
三、巷道支护参数及施工工艺
1、巷道支护
4203运输巷采用矩形断面支护，净宽2.5m、净高2.1m，净断面积5.25㎡，顶帮采用Φ16*1800mm的等强度螺纹钢锚杆和Φ28*500mm的树脂药卷。顶部锚杆间距800*800mm，帮部间距900*900mm，排距1000mm，顶帮加挂网孔为50*50mm的冷拔丝金属方格网,并用Φ8mm的钢筋焊接成的钢筋梯交叉压网；顶部钢带规格为2400*70*5mm；每施工5m巷道施工一根Φ15.24*5000mm的预应力锚索加强支护，锚索预紧力不小于100KN。
4203进风巷巷道支护断面图

2、方案设计与施工工艺
（1）煤柱计算
根据护巷煤柱保持稳定的基本条件：煤柱两侧产生塑性变形区，塑性区的宽度为x 0、 x 1 ，在煤柱中央存在一定宽度的弹性核，弹性核的宽度不小于煤层高度的2倍，即
B ≥ X0 + 2 M + X1
B—为煤柱宽度；M —为煤层开采厚度；X0 、X1为护巷煤柱两侧形成各自的塑性变形区；

式中M—为煤层开采厚度，取0.95m；λ—为侧压系数，取0.25，λ=μ/(1－μ)，μ为泊松比，取0.2；φ0—煤体内摩擦角，取30°；K—为掘巷引起的应力集中系数，取2.5；γ—上覆岩层的平均容重，取0.025MN/m³；H—巷道开采深度，取280m；C0—煤体粘聚力，取1.5Mpa；h—为巷道高度，取2.25m；Px—为巷道支架对煤帮的支护强度，取0.05Mpa；根据以上公式计算，求得 X 0=0.42m，X 1=0.96m。
求得B≥0.42+2×0.95+0.96
即B≥3.28m。
（2）施工工艺
根据理论计算，与4203进风巷留设3.5m净煤柱垂直于工作面向前掘进，巷道采用单体液压支柱配合铰接顶梁托长板梁支护巷道，巷道宽度3.0m，高度1.2m，施工6-8m后，与4203进风巷贯通一次，满足通风、运输和行人需要。随着工作面的推采，在第二个贯通口形成后，在第一个贯通口距4203进风巷0.5m处及时构筑永久密闭。密闭材料为红砖、水泥砂浆，厚度0.5m，周边掏槽，见硬底硬帮，四周不少于0.1m的裙边，墙面平整，无裂缝、空缝，安设观测孔，严格按照永久密闭要求施工。随着工作面的正常推采，及时构筑密闭，满足生产需要。生产期间加强工作面风量和瓦斯的管理，以及密闭的日常观测和维护。加强工作面支柱的“三量”观测，及时掌握工作面的顶板运动规律、压力大小及支护强度，选择合理的支护参数，确定合理的支护密度，指导安全生产。
4203采煤工作面沿空留巷示意图

四、结论
1、通过采用留设短小煤柱护巷技术，留设的巷道围岩虽有一定量的变形量，但能够满足安全、行人、通风、运输的要求。说明沿空留巷支护技术措施在技术上是可行的，实践上是成功的，效果是理想的。
2、它与矸石充填和人工砌筑矸石带相比，具有施工简单、劳动强度低、巷道维修、维护量小，减少采空区漏风，降低支护成本，提高劳动效率等优点。
3、通过对4201和4203工作面的回采，整个煤柱在回采期间保持了其稳定性，安全回采煤量10.6万吨，创造了良好的经济效益和社会效益；为今后回采四煤、二煤、五煤等薄煤层工作面打下了良好的技术和管理基础。
参考文献：蒋金泉，王国际，张登明，代进主编，矿山压力与岩层控制。徐州：中国矿业大学出版社，2007.11，第九章巷道维护原理和支护技术。
作者简介：雷波，男，助理工程师，出生于1980年9月，山东理工大学矿山资源开发与管理专业，专科，现从事矿井采掘技术和通风管理。工作单位：山东隆源煤矿集团有限公司，通讯地址：山东省肥城市湖屯镇隆源煤矿生产技术部，技术部副部长，电话：[phone]，手机：[phone]。邮编：271613,电子邮箱：13156975966@。