新元公司无煤柱开采充填技术应用与推广

吕 杰，卞 卡

(1.山西新元煤炭有限责任公司，山西 寿阳 045400；2.扬州中矿建筑新材料科技有限公司，江苏 仪征 211400)

当今开采技术的进步加大了对煤炭资源的开采力度[1]，然而，随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加[2]，巷道掘进量加大、采掘接替紧张等一系列问题也随之而来。由于煤层赋存条件的复杂性，留煤柱护巷形式不仅会造成煤资源极度浪费，对于高瓦斯矿井而言，还会出现工作面上隅角瓦斯超限等无法避免的安全难题。众多专家学者针对无煤柱护巷技术展开了大量的研究，在工程实践中也取得了很好的效果[3-5]。阳煤集团所采煤矿与全国其他煤矿相比瓦斯灾害较为严重,下属新元公司3号煤为煤与瓦斯突出煤层，回采工作面一直采用“两进两回”的“U+L”通风系统，回风、尾巷、配风巷“三巷并掘”，煤柱宽度20 m。巷道掘进量大、采掘接替和矿井供风紧张、煤炭资源损失较多、上隅角瓦斯积聚超限等一系列问题严重影响矿井安全高效生产。针对存在的诸多问题，结合国内外矿井生产实践经验,为改善传统巷道布置与掘进带来的不足，新元公司3号煤所有工作面均采用高水材料巷旁充填沿空留巷技术实现了无煤柱开采，极大地降低了瓦斯灾害、减少了区段煤柱损失,取得了显著的经济效益和安全生产效果，同时也为解决瓦斯问题提供了新的技术途径，增加了公司的技术储备。

1 生产地质条件

新元公司主采3号煤层属于高瓦斯突出煤层，赋存稳定，结构简单，属中灰、低硫的优质贫瘦煤，煤层以亮煤为主，内生裂隙较为发育，煤层中含1～2层泥质夹矸，夹矸厚度一般为0.02～0.06 m，煤层倾角一般为2～6°，平均为4°，煤层厚度2.20～2.93 m，平均2.86 m。直接顶为砂质泥岩，厚度为3.0～6.1 m；基本顶为中粒粉砂岩，厚度为2.20 m左右，底板为2.98 m的砂质泥岩，其煤层顶底板岩性情况如表1所示。

表1 岩层柱状

工作面巷道布置情况如图1所示，采用两进两回的“U+L”通风方式，由于工作面采空区随采随冒，进入采空区后部横贯的有效通风距离短，工作面采空区漏风易造成工作面上隅角和回风风流瓦斯浓度超限。

图1 工作面巷道布置方式

某工作面走向可采长度1 618 m，留巷巷道为工作面回风巷，巷道沿3号煤层顶板掘进，设计断面为宽×高(4.8 m×3.0 m)，巷道顶板锚杆索联合支护，W型钢带连接，两帮采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆、塑料网、木托板联合支护。原有巷道布置存在的主要问题：

1) 突出煤层工作面需要4条巷道，掘进头多、占用风量多、防突压力大、万吨掘进率高、采掘接替和矿井风量紧张。

2) 邻近采空区巷道维护困难、返修量大，尾巷的配风巷正好处于邻近工作面高应力采动影响范围内，即使采用全锚索支护，巷道变形也非常严重，整巷工程量相当于重掘一条巷道。

3) 每个工作面损失2个煤柱，3号煤优质资源损失量大，采区回收率仅69%。

4) “U+L”型通风上隅角瓦斯涌出量大、难于管理。“U+L”通风系统存在上隅角和尾巷瓦斯超限难于管理、不符合煤矿安全规程要求、风流不稳的问题。《煤矿安全规程》第一百五十三条规定：“采掘工作面的进风和回风不得经过采空区或者冒顶区”，由于尾巷是通过采空区通风，与现有规程不符，“U+L”通风系统被迫淘汰。

2 无煤柱开采技术方案

相对于沿空掘巷而言，沿空留巷无煤柱开采技术不仅可以实现无煤柱护巷、提高煤炭回收率、缓解采掘接替紧张的难题，还可以改变工作面通风方式，实现“Y”型通风，有效解决了工作面上隅角瓦斯积聚与超限问题，在许多煤矿得到了应用[6-8]。

鉴于沿空留巷顶板岩层运动规律，沿空留巷围岩变形、巷旁充填体变形以及支护体载荷的变化都与回采工作面的周期来压有关系。回采工作面后方20 m范围内，巷道围岩变形速度较大；当周期来压引起工作面后方基本顶弧形三角板失稳时，巷道围岩及巷旁充填体发生剧烈变形，支护体承受载荷也剧烈增加，这个区域一般在工作面后方20～40 m范围内。根据新元公司3号煤层赋存条件、顶板及两帮围岩支护状况，在技术可行的情况下，从经济性角度出发，最终确定新元公司3号煤层采用沿空留巷工作面的巷旁充填支护所用高水材料水灰比为1.5∶1，甲乙料比为1∶1，将充填体部分置于采空区，充填体宽度为2.0 m，高度为2.9 m。工作面由“U+L”型通风改为“Y”型通风方式，从而解决了工作面上隅角瓦斯超限问题。高水材料特性如表2所示，充填体布置及通风方式如图2所示。

表2 高水材料特性

图2 充填体布置及通风示意

巷道在保留原支护形式的基础上，顶板及两帮补打4根D18.9 mm×6 300 mm，间排距为1 000 mm×1 000 mm的补强锚索。充填体巷旁支护采用D22 mm×2 200 mm，间排距为800 mm×800 mm的等强螺纹钢对拉锚杆支护，支护方案如图3所示。

图3 沿空留巷支护方案(mm)

3 工业性试验

沿空留巷巷旁充填滞后于工作面回采2～3刀进行，工作面后方采空区预留2架挡矸支架为充填工作提供作业空间，根据设计的沿空留巷设计方案，配合辅助切顶卸压，依次充填。沿空留巷巷旁充填由制浆系统、泵送系统和充填袋立模三部分组成，其中，制浆系统由4台搅拌桶组成，甲乙料各由两台搅拌桶单独搅拌；泵送系统由2台双液注浆泵及注浆管路组成；充填袋立模主要包括联结钢筋网、吊挂充填袋和穿对拉锚杆。充填流程如图4所示。

图4 工作面巷旁充填工艺流程

3.1 巷道变形特征

根据监测结果和现场实际效果观察，沿空留巷变形稳定后最大顶底移近量不超过1.2 m，顶底板移近以底鼓为主，两帮移近量约650 mm，两帮移近以实煤体帮变形为主。由于3号煤层煤体较软，底板为泥岩，强度较低，工作面回采动压影响剧烈，故沿空留巷整体围岩控制效果较好。

留巷复用前进行整体起底，整个留巷复用期间，围岩变形基本控制在允许的范围内，能基本满足巷道使用的要求。巷道的基本支护、加强支护及巷旁充填支护基本满足巷道掘进、留巷到复用的支护要求。留巷变形情况如图5所示。

图5 沿空留巷现场效果

3.2 瓦斯治理效果

以首个沿空留巷工作面沿空留巷实施效果为例，采用沿空留巷“Y”型通风方式后瓦斯治理效果明显，工作面回采期间没有发生瓦斯超限。

由表3可知，通过对比相邻工作面的两进两回“U+L”通风系统和工作面两进一回“Y”型通风系统，“Y”型通风系统条件下瓦斯涌出量有所降低，瓦斯得到了有效治理，避免了在瓦斯临界状态下割煤。经分析，瓦斯涌出量降低的主要原因有两个：

表3 “U+L”通风系统与“Y”型通风系统瓦斯对比

1) 由于沿空留巷将采空区与巷道有效隔离，采空区瓦斯流场改变，没有大量涌向工作面。

2) 采用“Y”型通风方式，工作面采场处在正压情况下，瓦斯不易涌出，很好地解决了上隅角瓦斯问题。

3.3 沿空留巷经济效益

沿空留巷可以回收区段煤柱，减少回采巷道的掘进，考虑到巷道掘进成本降低以及多回收煤柱所带来的效益，沿空留巷后工作面少掘1条巷道每米减少投入1.5万元，沿空留巷综合经济效益非常显著。

4 结 语

1) 采用沿空留巷无煤柱开采技术，减少了巷道掘进工程量，实现了3号煤层优质煤种的高效开采，缓解了采掘接替紧张的局面，保证了工作面的高效生产。

2) 工作面减少了区段煤柱损失，提高了采区采取率，给公司带来了更多的经济效益。

3) 工作面由两进两回“U+L”型布置方式调整为两进一回“Y”型布置方式，由于采空区受正压作用，工作面瓦斯涌出量减少了一半，解决了上隅角瓦斯超限问题。

4) 实施沿空留巷不影响工作面的正常推进。探索了一条适应新元公司3号煤层瓦斯治理和巷道布置的有效途径，取得了显著的安全和经济效益。