薄煤层沿空留巷技术的应用与研究

1 引言

薄煤层可采储量占比 20% 以上，实际产量仅为总产量的 8%_9‰ 。早期煤矿受采掘条件限制，往往会“ 采厚丢薄” ，浪费较多的煤炭资源。生产一段时间后，矿井普遍面临接替紧张以及资源枯竭的问题，煤炭开采必然会向薄煤层方向延伸[1]。在煤层赋存较好、资源丰富的地区，做好薄煤层开采的技术储备也有助于可持续发展，能够实现薄煤层安全开采与灾害防治一体化。

以小青煤矿 W31506 运顺巷道为背景，通过现场勘察方法观测沿空留巷巷道围岩的基本变形规律及破坏特征，并通过现场勘察方法获得巷道围岩的变形规律及破坏特征。基于 FLAC3D 构建巷道围岩的三维数值模型，数值模拟分析沿空留巷内巷道的变形规律及失稳破坏过程，通过分析不同的支护方法来验证支护结构的可靠性，并对现场工程实际提供一定的指导。结合数值计算方法对工程实际中的支护方案进行优化设计，提出合理的支护方案，并通过现场监测的方法验证支护结构的可靠性。研究成果可为类似工程提供理论基础和关键技术支撑。

2 薄煤层沿空留巷巷道围岩破坏机理及特征分析

基于经典的连续介质理论，深入分析巷道围岩的破坏机理，如图 1 所示。当煤层开采后，其沿空留巷巷道中导致围岩破坏的应力是切向应力。在应力释放过程中，当围岩中的 Pb>P 时，说明应力已经超过了岩石的抗压强度，巷道围岩此时就开始变形、开裂，并且通过计算可知，Pb 与 P 成正比，而应力集中的 P 又与巷道的埋深H 成比例的增大。当巷道的埋深 H 很大，说明地应力高，此时为竖向应力也随之增大。

当回采后的一段时间，达到某一极限时，围岩就进了塑性状态，此时围岩就出现了不可恢复的变形。当足够大时，巷道围岩的塑性区会逐渐的向巷道内部进行快速的扩展，此时巷道围岩会形成一个较大的塑性区域，称之为塑性松动圈，和逐渐改变大小。由于塑性区的存在，减少非常大。巷道掘进后，范围不断扩大，巷道收敛。但当收敛位移过大时，岩体就会发生松动，失去自承能力，对支护系统产生“ ” ，P 也就增大。

3 沿空留巷技术及工艺

先对其顺槽顶帮关键部位进行补强，达到帮顶协调作用；再对顶板进行定向爆破弱化与采空区上覆关键层间的力学联系；回采后在端头架切顶处布置挡矸系统阻挡矸石，并在巷内安设临时支护；留巷平稳后再撤除临时支护，完成留巷。

（1）沿空留巷支护设计

超前预裂切缝距采帮 0.2m 处施工孔深 3.5m、孔距 0.5m、孔径φ 80mm 的爆破孔。超前补强支护采用φ 21.8，L=6100mm 的恒阻大变形锚索+W 钢带的支护方式。段挡矸墙结构由外到内依次为 U 钢可缩支柱、金属网、挡杆布、钢筋网、金属网组成，具体布置如图 2 所示。架后顶板临时支护采用“ 一梁三柱” 的形式。π 梁间距 1000mm ，每排π 型梁下布置 3 棵单体点柱，第一棵距挡杆墙侧 550mm ，第二棵距挡杆侧 2600mm，第三棵距下帮侧 850mm。顶板不好时两排π 型梁中间位置打一棵单体点柱，距挡杆侧 550mm，具体布置形式如图 3 所示。

图 3 架后支护布置图

3.3 数值模型及边界条件

根据本文的实验数据及现场的勘察结果，通过对沿空留巷巷道的支护结构设计，对巷道的支护结构稳定性及围岩的变形特性进行数值模拟研究，目的在于分析支护结构的可靠性及合理性，并结合现场的监测结果来完成支护结构的优化设计。选取 W3-1506 工作面回采时进行分析，采用现有支护方式进行计算。

如图 4 所示，在沿空留巷巷道中，当采用切顶爆破，顶、帮补强支护，架后临时支护的形式，留巷段巷道围岩的变形量得到了较好的控制，基本在合理的范围内。顶板下沉量控制在 150mm-200mm 左右，巷帮位置量控制在 150mm-200mm 左右，底板鼓起量控制在 800mm-1000mm 左右。顶板沉降最大值出现在滞后回采工作面50-150m 左右，留巷滞后工作面 150m 后，围岩位移趋于稳定，说明采用这种联合支护时，围岩的变形量得到了较好的控制，通过对锚杆及锚索的轴力进行监测可知，锚杆与锚索的轴力均没有达到极限的强度，所以支护方案的设计符合工程实际的要求，能够在保证锚杆与锚索没有达到极限状态时的支护方案能够满足巷道围岩的变形控制要求。

4 现场监测分析

W3-1506 工作面回采期间，在 W3-1506 运输顺槽留巷段布置矿压监测站，工作面回采期间每间隔 7d 进行一次围岩变形情况的观测作业，持续观测。沿空留巷期间，巷道围岩变形主要出现在滞后工作面 50＼～150m 的范围内，顶板最大沉降量为 210mm，底板最大底鼓量为 1000mm。留巷滞后工作面 150m 后，围岩变形速率大幅降低，当留巷达到稳定状态时，两帮移近量为 232mm ，顶底板移近量为 1210mm ，围岩变形处于稳定状态，满足留巷使用要求。

5 结论

（1）通过现场监测可知，随着回采的不断推进，留巷段巷道围岩变形逐渐扩展，在联合支护作用下，巷道围岩变形得到了有效的控制，说明支护方案设计的比较合理，数值计算结果与现场监测结果基本吻合。

（2）先对其顺槽顶帮关键部位进行补强，达到帮顶协调作用；再对顶板进行定向爆破以期弱化与采空区上覆关键层间的力学联系；回采后在端头架、切顶处布置挡矸系统阻挡矸石，并在巷内布设临时支护的联合支护能够有效控制围岩变形，满足留巷使用的要求。

参考文献（References）：

[1]朱妍.煤炭开采向薄煤层要“ 厚” 效益[N].中国能源报，2023-09-11（16）

[2]张九雨.薄煤层厚灰岩下混凝土巷旁充填沿空留巷研究[J].煤矿安全，2016.47（9）：46-49.

[3]张帅，徐金海，李冲.“ 双软” 顶底板薄煤层沿空留巷底鼓机理分析[j].煤炭工程，2022，54（1）：112-1

[4]曹树刚，邹德均，白燕杰，等.近距离“ 三软” 薄煤层群回采巷道围岩控制[J].采矿与安全工程学报，2011，28（4）：524-529

[5]赵玉翔，雷延智，杨晓龙，等.“ 两硬” 薄煤层采空区煤柱下沿空留巷技术[J].煤矿安全，2015，46（12）：88-91

作者简介：白龙（1983－），男，大专，辽宁铁岭人，工程师，2007 年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程专业，现任铁法煤业集团有限公司小青煤矿综采队队长。