項 目 名 稱 綜采工作面高水材料巷旁充填沿空留巷技術研究與應用
主要完成單位 山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦
主要參加人員 曹俊文 李小平 朱國平 郝 宇 孫志剛 王丙迎 劉西煜 趙永清 洛建軍 安 雯 趙海潮 喬 磊 張軍建
一、研究背景
屯蘭礦作為煤與瓦斯突出礦井，目前2#煤層工作面采用U型通風和在瓦斯治理巷中施工大直徑鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯的治理模式。但在實際生產(chǎn)過程中，這種生產(chǎn)模式存在諸多問題，一是瓦斯治理巷需復用為下一個相鄰工作面的一條順槽，但要經(jīng)歷2次采動影響，巷道變形量大，維護困難；二是工作面回風順槽與瓦斯治理巷間需留設護巷煤柱，因此每個工作面均要損失20m寬的煤柱，煤炭資源損失大；三是2#煤層工作面U型通風方式一般采用皮帶順槽回風，存在“一段進、一段回”、回風順槽存在電器設備的問題，安全風險大；四是存在回風上隅角瓦斯積聚等問題。針對以上問題，采用沿空留巷、實現(xiàn)Y型通風即可解決。
目前主要的沿空留巷方式主要是切頂卸壓沿空留巷和人工充填沿空留巷，屯蘭礦雖然正在采用切頂卸壓技術進行護巷，但要實現(xiàn)沿空留巷仍然有技術難點沒有克服；膏體充填沿空留巷技術在屯蘭礦已有8個工作面采用，取得了良好的效果，技術比較成熟，但經(jīng)過測算在投入費用上高水充填比膏體充填每延米節(jié)約6142.88元，在技術上高水充填技術與膏體充填技術相比有工人的勞動強低、運輸距離短、充填體構(gòu)筑速度快等優(yōu)點，高水充填技術比膏體充填技術具有明顯的優(yōu)勢。因此，屯蘭礦在22301工作面開展新型高水速凝材料巷旁充填沿空留巷項目，以提高礦井資源回收率，解決通風及瓦斯治理上的難題。
二、實施情況
1.工作面概況
22301工作面井下位于北三盤區(qū)右翼，設膠帶順槽、軌道順槽、瓦斯治理巷三條巷道。工作面1#、2#、3#煤合采，煤層平均厚度4.75m，切眼長度205m，煤層最大傾角8°，最小傾角2°，平均約4°?；仫L措施巷與皮帶順槽開處距離為1600m左右，在工作面回采到22301回風措施巷前開始留巷，通風系統(tǒng)由U型向Y型轉(zhuǎn)變。
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22301工作面巷道平面布置圖
（1）巷旁充填體參數(shù)設計
根據(jù)22301工作面皮帶順槽頂板巖層情況，通過建立充填體切頂沿空留巷力學模型分析技術和以往的工程實踐，考慮該巷道現(xiàn)有布置狀況及留巷后的用途，
設計高水材料水灰比為1.5:1，巷旁充填體高度為3.5m，寬度2.2m，全部位于采空區(qū)內(nèi)，留巷后巷道寬度為4.5m，充填體一次充填長度根據(jù)工作面推進速度設計為3.4m（4刀），一天充填一次或兩次。為了減輕施工難度，端頭前5架支架割煤高度不得超過3.5m。割煤時高度沿頂控制在3.2m，移架后再平整底煤。
采用對拉錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼筋梯子梁對充填體進行加強支護，以進一步增強巷旁充填體的抗變形能力。通常在沿空留巷Y型通風采空區(qū)上部會積聚大量高濃度瓦斯，為保證較高的瓦斯抽采率、充填安全施工前提下，設計在留巷充填體內(nèi)每間隔6.8m（2垛充填體）預留長度2.7m、直徑300mm的瓦斯抽放管，位置位于充填體中上部距頂板位置500mm，抽采管道穿過留巷充填體，伸入采空區(qū)即可，并在里端焊接濾網(wǎng)。
充填體加強支護布置及埋管布置圖
（2）充填區(qū)域圍擋空間設計
根據(jù)22301工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件和礦上條件，選用單體液壓支柱配鉸接頂梁進行圍擋臨時支護。設置2排密集支柱，割煤后需要在端頭支架4架頂板上方鋪設柔性塑料網(wǎng)，移架后及時在支架后方打設2排密集支柱+鉸接頂梁支護，使得采空區(qū)側(cè)柔性塑料網(wǎng)下墜在密集單體液壓支柱的外側(cè)，防止矸石進入充填區(qū)域。具體支護參數(shù)為：第1排距充填體外側(cè)位置800mm，第2排距充填體外側(cè)1100mm，兩排單體液壓支柱間距300mm左右，交錯布置。
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（a）平面圖
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（b）A-A剖面圖
（c）B-B剖面圖
（3）工作面巷旁充填工藝流程
①充填區(qū)域頂板支護
工作面割煤→端頭液壓支架鋪設頂網(wǎng)→充填區(qū)域頂板加固→工作面移架→架后擋矸密集支柱支護。
②構(gòu)筑充填體
清理浮煤→充填體定位→立模（掛鋼筋網(wǎng)、單體液壓支柱、吊充填袋、穿對拉錨桿）→聯(lián)系注漿站配料注漿→清洗管路和注漿設備→回收立模單體支柱。
③清理現(xiàn)場，準備下一循環(huán)。
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工作面巷旁充填工藝流程圖
三、實施效果
為觀測巷道圍巖變形和充填體的變形，研究支護參數(shù)的合理性，在沿空留巷過程中設置相應的測站，22301工作面皮帶順槽從留巷前30m開始，以后每隔50m設1個測站，采用“十”字法和頂板離層儀觀測頂?shù)缀蛢蓭偷南锏绹鷰r變形量。根據(jù)所設置測站，取較為典型的1#表面位移測站數(shù)據(jù)進行分析，巷道表面位移及表面位移速度監(jiān)測曲線如圖所示。
巷道圍巖表面變形曲線圖
巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果表明：（1）工作面后方0~20m范圍內(nèi)，頂板幾乎無下沉，圍巖變形較小。（2）工作面后方20m~110m范圍內(nèi)，圍巖有較為明顯的變形。其中實煤體幫側(cè)頂?shù)滓平孔畲?，最大值達到800mm，其中最大頂板下沉量為140mm，底鼓量660mm，可見變形主要是底鼓，充填體側(cè)頂板最大下沉量250mm；兩幫移近量最大為550mm。移近速率都呈現(xiàn)先增大后逐漸變小至零的趨勢。（3）工作面后方110m以外，圍巖變形量很小，變形速率逐漸趨向于零。
四、應用情況
2020年7月在屯蘭礦22301工作面實施高水充填沿空留巷技術，目前留巷效果良好。沿空留巷穩(wěn)定后巷道圍巖實煤體幫側(cè)頂?shù)滓平坎怀^800mm，充填體幫頂?shù)滓平坎怀^610mm，兩幫移近量在550 mm左右，整體變形量不大，圍巖控制效果較好。成巷效果遠遠超過了預期技術指標（巷道90%區(qū)域的頂?shù)装寮皟蓭鸵平啃∮谠懈叨燃皩挾鹊?0%），充填墻體未出現(xiàn)壓垮情況，所留巷道安全可靠，滿足復用要求。
五、效益分析
1.經(jīng)濟分析效益
22301工作面成功充填留巷1400米，每米留巷成本21482.75元，共計投入費用1400×21482.75=3007.585萬元；多回收煤炭資源10萬噸（15米×1400米×3.5米×1.36），可洗選精煤約6.8萬噸，精煤價格按照1280元計算，可創(chuàng)造經(jīng)濟價值8704萬元；少掘送一條巷道的費用：按照每掘進立方米300元計算，300×4.5×3.5×1400=661.5萬元。
綜上，22301工作面采用沿空留巷能夠產(chǎn)生共計創(chuàng)造經(jīng)濟價值：8704+661.5-3007.585=6357.915萬元的直接經(jīng)濟效益（說明：以上成本估算的掘巷成本價只計算了直接成本，沒有計算瓦斯治理成本）。
2.社會效益分析
（1）和掘巷相比，同樣準備一個工作面可少掘一條巷道，掘進率降低30％左右，可大大緩解回采工作面接替緊張的局面。
（2）沿空留巷實現(xiàn)了工作面的Y型通風，兩順槽都進新鮮風流，解決了隅角瓦斯積聚，優(yōu)化通風系統(tǒng)，有利于安全生產(chǎn)。
（3）由于沿空留下的巷道仍保持正常的通風、排水，可作為工作面的另一個安全出口，提高了工作面的抗災變能力。
（4）和混凝土沿空留巷相比，輔助運輸量小，充填工藝簡單，可直接接頂，操作方便。
六、應用建議
1.高水充填沿空留巷適用于頂板條件較好，煤層埋深不超過1000m，破碎程度不高的工作面使用。
2.沿空留巷是一項復雜的系統(tǒng)工程，為確保沿空護巷的成功實施，除了嚴格按照沿空留巷施工工藝，確保施工質(zhì)量外，應根據(jù)礦壓觀測結(jié)果及時進行反饋分析，及時優(yōu)化完善方案；
3.沿空留巷支護一般可分為基本支護、加強支護和巷旁支護三部分，三個部分必須相互協(xié)調(diào)，相互作用，共同起到切斷巷旁頂板和維護巷道穩(wěn)定的作用。由于各礦生產(chǎn)技術條件不同，需要一面一策，避免盲目照搬，保證沿空留巷成功實施；
4.為了適應工作面快速推進和進一步降低工人勞動強度，特別是工作面推進速度較快、一次充填量較大時，建議：①泵站采用自動上料系統(tǒng)，實現(xiàn)機械化上料、自動化上水，精準控制材料配比；②充填點采用端頭特殊支架、擋矸支架和快速充填模具；
5.在留巷巷道掘進時一次性采用高強度的錨網(wǎng)索支護，避免二次（補強）支護及多次支護。
6.堅硬頂板難切落時，可采用配套的乳化液鉆機快速輔助切頂，降低留巷維護難度和減少充填用料，進一步優(yōu)化充填體參數(shù)。
