马莲台煤矿软岩无煤柱沿空留巷技术成功应用

伏瑞

宁夏宝丰能源集团股份有限公司  身份证号：620422198510136736

一、工程概况

马莲台煤矿大倾角、软岩无煤柱沿空留巷项目定于在30101机巷实施，预计留巷1000米，2020年10月1日开始实施，工期6个月。根据采掘接续实际情况，实际留巷时间为2020年10月21日，2021年4月30日留巷结束。30101机巷共计回采1030m，沿空留巷930m。巷宽3600mm，巷高2800mm，留巷效果较好，达到了立项申请中的各项目标要求，满足30103工作面回采期间回风、运输、行人要求。

30103工作面于2021年4月18日安装完成，2021年4月25日中班18:18分联合试运转成功，4月30日正式回采，实现了30101综采工作面与30103综采工作面顺利接续且无断档期，保证了三采区顺利接续，满足了矿井安全生产需求。30103工作面于2021年11月25日回采结束，标志着沿空留巷整个项目实施结束。

二、项目关键技术

（一）恒阻大变形锚索支护技术

1、恒阻大变形锚索布置

机巷超前工作面200m外采用锚索进行补强支护，锚索规格为φ21.8*10300mm，间排1600mm*1600mm，锚索距上帮500mm位置布置，补强支护超前工作面不小于200m。

2、恒阻大变形锚索技术参数

（1）锚索设计承载力：钢绞线直径为φ21.8mm时454kN。

（2）锚索设计破断力：钢绞线直径为φ21.8mm时504kN。

（3）锚索抗拉强度(1MPa=1N/mm2)

3、恒阻大变形锚索施工优化

（1）顶板恒阻锚索施工，第一排距上肩窝500mm变更为800mm，两排锚索加设一个W钢带，增强顶板连锁支护。

优化原因：一是切缝爆破施工过程中，恒阻锚索距切缝位置距离过近，防止爆破破坏锚索支护效果，故调整为800mm;二是由于一煤顶板破碎，故加设一个W钢带，加强支护连锁。

（2）30101机巷下帮加打两排锚索，规格φ21.8×4300mm，排距1600mm，间距1200mm，两排锚索加设一个W钢带，加强下帮支护。

优化原因：一是留巷过程中，30101机巷下帮出现帮鼓，故加打两排锚索，加强支护;二是由于一煤松软，故加设一个W钢带，加强连锁支护。

（3）沿空留巷施工恒阻锚索过程中，靠近上帮一排恒阻锚索因锚杆机支设在皮带上方中心位置，造成锚索不能垂直于顶板。

优化方案：下一个机巷留巷施工过程中在皮带未安装之前施工上帮恒阻锚索，保证恒阻锚索支护质量，建议恒阻锚索施工在巷道掘进期间一并施工完毕。

（二）切顶爆破孔施工

切顶爆破孔布置参数：切缝孔布置在巷道顶板上帮与顶板夹角处，与铅垂线夹角为20度，为保证切缝到一煤层上部泥质粉砂岩，切缝深度为9m，切缝孔间距为500mm，钻头直径为Φ50mm，切缝距离不小于75m。

（三）顶板预裂切缝爆破施工

1.预裂爆破参数

顶板预裂切缝爆破每孔装5节聚能管，装药结构设计为3+1+2+1+1，封泥长度1.5m。

2.预裂爆破方法

顶板预裂切缝爆破进行实时尝试，按照设计要求，对顶板进行预裂爆破试验施工

3.预裂切缝爆破施工优化

（1）预裂切缝眼施工，切缝距离由原设计不小于75m变更为不小于35m（转载机桥身段位置）。

优化原因：由于回采过程中，顶板预裂切缝后较破碎，存在安全隐患，故切缝距离变更为不小于35m。

（2）钻头直径由Φ50mm更改为钻头直径为Φ56mm。

优化原因：由于切缝眼施工采用气动锚杆钻机，存在人机配合不当等因素，聚能管不能穿入切缝眼内，故将钻头直径变更为Φ56mm。

（3）预裂切缝爆破装药结构由原设计3+1+2+1+1和封泥长度1.5m进行爆破变更为3+2+1+1+1和封泥长度3m进行爆破。

优化原因：3+1+2+1+1装药结构对机巷上帮三角口破坏程度较大，故将装药结构变更为变更为3+2+1+1+1和封泥长度3m。

（四）挡矸支护施工

1.挡矸支护设计参数

挡矸采用可伸缩36U型钢上下两节可缩性搭接进行挡矸支护，间距500mm，单根长3m（可根据巷道高度适当调整），采用两副卡兰连接，卡兰上下沿距U型钢搭接端头各50mm，搭接长度不小于1.5m，36U型钢棚埋入底板以下不低于300mm，U36型钢棚之间用拉杆连接。

2.挡矸支护施工方法

（1）上帮挡矸支护：工作面割煤移架后，先挂钢筋网，铺设风筒布，再挂铅丝网，打设U型钢。

（2）铺挂铅丝网规格为900*5000mm、风筒布规格为2000*5000mm、钢筋网规格为840*5000mm。挂网、铺风筒布与顶网搭接不少于300mm，压入底板不少于300mm，侧边搭接不少于200mm。

（3）可伸缩U型钢采用上下两节可缩性搭接，单根长3.0m（可根据巷道高度适当调整），采用两副卡兰连接，卡兰上下沿距U型钢搭接端头各50mm，搭接长度大于1m。U型钢棚埋入底板以下不低于300mm，U型钢上下接触面焊接底、顶座300*300*20mm，以增加接触面积。U型钢架设间距500mm，U型棚不能滞后切顶线，超前切顶线一架，保留下口安全出口。

3.挡矸支护施工优化

（1）1#，2#，3#液压支架架顶板铺设单层经纬网，防止切缝位置掉矸伤人。

优化原因：一煤顶板容易破碎和爆破施工原因，造成机巷上帮三角口位置顶板破碎，存在漏矸伤人的风险，故在1#，2#，3#液压支架架顶板铺设单层经纬网。

（2）U36型钢棚架设采用两幅卡兰变更为三副卡兰连接，卡兰上下沿距36U型钢搭接端头各50mm，搭接长度不小于1.5m，36U型钢棚埋入底板以下不低于300mm。

优化原因：增加一副卡兰，固定U型钢棚，保证U型钢棚搭接整体性。

（3）U36型钢棚之间用拉杆连接变更为厚12mm钢板与卡箍连接，达到挡矸网整体固定效果。

优化原因：U型钢棚拉杆连接稳定性差，局限性大，连接整体性效果差，使得两架U型钢棚上下发生位移时拉杆不容易损坏，故将拉杆连接变更为钢板连接。

（五）综合防灭火施工

1.综合防灭火设计参数

施工过程中，为最大限度减小采空区漏风，采用单层风筒布配合柔性菱形网和钢筋网对采空区漏风进行封堵；上下各超出300mm，搭缝处搭接宽度300mm。超出部分分别固定到顶底板，并进行有效封闭(喷浆)。

2.综合防灭火参数优化

（1）在钢筋网与菱形网之间铺设风筒布由一层变更为两层，高度为4m，上下各超出500mm， 超出部分分别固定到顶底板。

优化原因：为防止风筒布破口漏风，风筒布由一层增加到两层，上下各超出500mm，增加风筒布与顶板的接触面积，减少漏风。

（2）为防止采空区漏风及煤层自燃，考虑到后期巷道变形，造成浆皮开裂，出现漏风情况，将喷浆（钢性）封闭变更为AB材料填充封闭（塑性）。

优化原因：喷浆作业运输困难，回弹料多，且为刚性封闭，来压易开裂，存在漏风问题，故变更为AB填充材料封闭（塑性），施工简单，可阻燃，封堵效果佳。

（六）架后临时支护施工

1.架后临时支护设计参数

（1）架后临时支护采用架设“一梁三柱”π型钢，π型钢距上帮400mm，排距800mm；第一颗单体距上帮800mm ，第二颗单体距第一颗 1500mm，第三颗单体距第二颗2200mm，排距均为1000mm。

（2）在三角口配合铰接顶梁施工一颗戗柱，排距800mm。

（3）为防止单体钻底，支柱穿铁鞋支设。

（4）要求支柱初撑力不低于11.4MPa，并且单体活柱可缩量大于300mm。

2.架后临时支护参数优化

（1）将“一梁三柱”变更为“一梁二柱”，保留戗柱。

优化原因：减少单体支柱用量。

（2）将“一梁二柱”恢复为“一梁三柱”，取消戗柱与铰接顶梁。

优化原因：第一次变更，出现顶板下沉，下帮煤体受力变形，出现帮鼓，压力显现明显；恢复一梁三柱，戗柱效果不明显，故取消戗柱，铰接顶梁实际留巷时切缝眼附近顶板下沉，将铰接梁卡住，造成铰接顶梁铰接位置断开，故取消铰接顶梁使用。

（3）沿空留巷巷道内每隔20m靠上帮架设一组木垛。

优化原因：为减少单体支柱压力，增加巷道被动支护，监测顶板下沉情况。

三、沿空留巷成功关键指标

（一）各类有害气体数据分析

30101机巷沿空留巷重点对工作面上隅角和采空区一氧化碳气体进行了监测，主要监测手段采用人工监测和束管监测两种形式，上隅角一氧化碳浓度最大值48ppm，采空区一氧化碳浓度最大值23ppm。

（二）顶板变形数据分析

1.矿压观测手段

30101沿空留巷顶板变形监测手段包括：矿压在线监测（YUD300顶板位移监测仪、YAD200矿用锚杆锚索测力仪）、十字布桩观测、导线点下沉监测。其中矿压在线监测实时上传、储存，可以随时导出数据表格，生成变化曲线；十字布桩观测与导线点下沉观测每周一次，地面整理后形成图表。结合变形监测曲线变化情况，可以掌握顶板下沉变化规律，间接分析出底鼓量。

2.矿压观测点布置

（1）每10台支架安装1台YUP2000/60液压支架压力监测仪（分别布置在2#、12#、22#、32#、42#、52#、62#、72#、82#、92#支架）。

（2）沿空留巷每50m设置一组观测点，包括顶板离层仪、锚索应力监测仪，十字布桩法。

3.监测数据分析

依据矿压观测数据整理分析，总结30101工作面顶板变形规律如下:

（1）风巷回采期间超前工作面20-50m范围内，顶板离层仪深层和浅层数据均突增，其中深层数据变化范围30-50mm；浅层20-40mm之间，50m范围以外至巷口数据未发生变化；

（2）机巷因沿空留巷超前施工恒阻锚索与切缝眼，超前工作面80-100m顶板离层，顶板离层仪与十字布桩观测数据分析整理后得出顶板下沉数据在10-30mm之间；留巷段内压力集中在距工作面50-100m范围内，依据数据观测可分析出，留巷期间顶板下沉量在200-450mm之间，留巷35-45天（即工作面推进150-200m）顶板下沉基本趋于平稳。

（3）依据其中部分变形观测数据分析可知，顶板下沉量在150mm—300mm之间，顶板下沉稳定时间基本为两个月。

四、沿空留巷项目效益分析

（一）预算情况

立项报告中计划30101机巷总留巷1000米，成本费用1043.39万元（人工成本费用为6个月施工期287.66万元，可控成本费用736.77元，可控费用18.96万元，单体支柱按4次折旧），延米成本10433.9元（其中人工成本2876.61元/米，可控成本7367.69元/米）。经沿空留巷实施，可多回采原煤52012.5吨（工作面走向长度1000米，区段留设煤柱15米，采高为2.5米，容重为1.46吨/立方米，回采率为95%）,预算单价为272元/吨，吨煤成本为94.19元/吨，可实现直接经济效益650.01万元。

（二）单体支柱、非铰接顶梁回收率、复用率情况

30101机巷沿空留巷单体支柱回收率为97.41%，重新修复并鉴定后使用的10.67%，井下因地质条件恶化无法回收导致丢失率4.76%。二次复用率为84.56%。非铰接顶梁回收率为72%。回收的非铰接顶梁经过校正有335根二次利用于30103留巷复用，复用率为24.5%，有645根需要整修鉴定后使用。

（三）直接效益

因沿空留巷项目的实施，多回收区段煤柱44626.73吨，煤价参考2021年度1-12月份516.35元/吨，因多回采原煤创造效益2304.30万元；吨煤成本参照本2021年度实际价格88.68元/吨，多回采原煤投入395.75万元。

节省掘进巷道880米，少投入458.45万元，其中节省掘进人工成本287.66万元，节省掘进可控成本147.19万元，节省掘进可控费用23.60万元。

沿空留巷共计留巷930米，共计产生费用858.25万元，留巷延米成本为9228.49元/米，留巷过程中人工成本2926.67元/米，可控成本6166.78元/米。

综上所述，因30101机巷沿空留巷成功实施，共计创造经济效益1508.75万元。

（四）间接效益

1.该项目成功实施意味着马莲台煤矿在采煤技术上的又一大变革与革新。该技术的使用，可减少资源损失，提高企业煤炭资源回收率，同时延长了矿井服务年限。全年可为马莲台煤矿增加回收煤炭20万吨以上，采区回采率提高3%以上；项目在马莲台实施成功后，推广至红四煤业、丁家梁煤矿，全年可为公司增加回收煤炭40万吨以上。

2.该项目可减少马莲台煤矿巷道掘进量，降低万吨掘进率，缓解采掘接续紧张的状况；全年节省掘进巷道3000米以上。项目推广至红四煤业、丁家梁煤矿，全年可为公司节省掘进巷道6000米以上。

3.针对马莲台煤矿采用多煤层联合开采布置，实施无煤柱开采，可降低应力叠加影响，减少下部煤层巷道的维护强度和维护费用。

4.该项目成功实施后对宝丰能源、全区、全国甚至国内外倾斜、急倾斜软岩煤层开采积累更丰富的经验，具有特殊的指导意义。