项 目 名 称 综采工作面高水材料巷旁充填沿空留巷技术研究与应用
主要完成单位 飞禽走兽老虎机：有限责任公司屯兰矿
主要参加人员 曹俊文 李小平 朱国平 郝 宇 孙志刚 王丙迎 刘西煜 赵永清 洛建军 安 雯 赵海潮 乔 磊 张军建
一、研究背景
屯兰矿作为煤与瓦斯突出矿井，目前2#煤层工作面采用U型通风和在瓦斯治理巷中施工大直径钻孔抽采采空区瓦斯的治理模式。但在实际生产过程中，这种生产模式存在诸多问题，一是瓦斯治理巷需复用为下一个相邻工作面的一条顺槽，但要经历2次采动影响，巷道变形量大，维护困难；二是工作面回风顺槽与瓦斯治理巷间需留设护巷煤柱，因此每个工作面均要损失20m宽的煤柱，煤炭资源损失大；三是2#煤层工作面U型通风方式一般采用皮带顺槽回风，存在“一段进、一段回”、回风顺槽存在电器设备的问题，安全风险大；四是存在回风上隅角瓦斯积聚等问题。针对以上问题，采用沿空留巷、实现Y型通风即可解决。
目前主要的沿空留巷方式主要是切顶卸压沿空留巷和人工充填沿空留巷，屯兰矿虽然正在采用切顶卸压技术进行护巷，但要实现沿空留巷仍然有技术难点没有克服；膏体充填沿空留巷技术在屯兰矿已有8个工作面采用，取得了良好的效果，技术比较成熟，但经过测算在投入费用上高水充填比膏体充填每延米节约6142.88元，在技术上高水充填技术与膏体充填技术相比有工人的劳动强低、运输距离短、充填体构筑速度快等优点，高水充填技术比膏体充填技术具有明显的优势。因此，屯兰矿在22301工作面开展新型高水速凝材料巷旁充填沿空留巷项目，以提高矿井资源回收率，解决通风及瓦斯治理上的难题。
二、实施情况
1.工作面概况
22301工作面井下位于北三盘区右翼，设胶带顺槽、轨道顺槽、瓦斯治理巷三条巷道。工作面1#、2#、3#煤合采，煤层平均厚度4.75m，切眼长度205m，煤层最大倾角8°，最小倾角2°，平均约4°。回风措施巷与皮带顺槽开处距离为1600m左右，在工作面回采到22301回风措施巷前开始留巷，通风系统由U型向Y型转变。
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22301工作面巷道平面布置图
（1）巷旁充填体参数设计
根据22301工作面皮带顺槽顶板岩层情况，通过建立充填体切顶沿空留巷力学模型分析技术和以往的工程实践，考虑该巷道现有布置状况及留巷后的用途，
设计高水材料水灰比为1.5:1，巷旁充填体高度为3.5m，宽度2.2m，全部位于采空区内，留巷后巷道宽度为4.5m，充填体一次充填长度根据工作面推进速度设计为3.4m（4刀），一天充填一次或两次。为了减轻施工难度，端头前5架支架割煤高度不得超过3.5m。割煤时高度沿顶控制在3.2m，移架后再平整底煤。
采用对拉锚杆、钢筋网和钢筋梯子梁对充填体进行加强支护，以进一步增强巷旁充填体的抗变形能力。通常在沿空留巷Y型通风采空区上部会积聚大量高浓度瓦斯，为保证较高的瓦斯抽采率、充填安全施工前提下，设计在留巷充填体内每间隔6.8m（2垛充填体）预留长度2.7m、直径300mm的瓦斯抽放管，位置位于充填体中上部距顶板位置500mm，抽采管道穿过留巷充填体，伸入采空区即可，并在里端焊接滤网。
充填体加强支护布置及埋管布置图
（2）充填区域围挡空间设计
根据22301工作面生产地质条件和矿上条件，选用单体液压支柱配铰接顶梁进行围挡临时支护。设置2排密集支柱，割煤后需要在端头支架4架顶板上方铺设柔性塑料网，移架后及时在支架后方打设2排密集支柱+铰接顶梁支护，使得采空区侧柔性塑料网下坠在密集单体液压支柱的外侧，防止矸石进入充填区域。具体支护参数为：第1排距充填体外侧位置800mm，第2排距充填体外侧1100mm，两排单体液压支柱间距300mm左右，交错布置。
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（a）平面图
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（b）A-A剖面图
（c）B-B剖面图
（3）工作面巷旁充填工艺流程
①充填区域顶板支护
工作面割煤→端头液压支架铺设顶网→充填区域顶板加固→工作面移架→架后挡矸密集支柱支护。
②构筑充填体
清理浮煤→充填体定位→立模（挂钢筋网、单体液压支柱、吊充填袋、穿对拉锚杆）→联系注浆站配料注浆→清洗管路和注浆设备→回收立模单体支柱。
③清理现场，准备下一循环。
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工作面巷旁充填工艺流程图
三、实施效果
为观测巷道围岩变形和充填体的变形，研究支护参数的合理性，在沿空留巷过程中设置相应的测站，22301工作面皮带顺槽从留巷前30m开始，以后每隔50m设1个测站，采用“十”字法和顶板离层仪观测顶底和两帮的巷道围岩变形量。根据所设置测站，取较为典型的1#表面位移测站数据进行分析，巷道表面位移及表面位移速度监测曲线如图所示。
巷道围岩表面变形曲线图
巷道表面位移监测结果表明：（1）工作面后方0~20m范围内，顶板几乎无下沉，围岩变形较小。（2）工作面后方20m~110m范围内，围岩有较为明显的变形。其中实煤体帮侧顶底移近量最大，最大值达到800mm，其中最大顶板下沉量为140mm，底鼓量660mm，可见变形主要是底鼓，充填体侧顶板最大下沉量250mm；两帮移近量最大为550mm。移近速率都呈现先增大后逐渐变小至零的趋势。（3）工作面后方110m以外，围岩变形量很小，变形速率逐渐趋向于零。
四、应用情况
2020年7月在屯兰矿22301工作面实施高水充填沿空留巷技术，目前留巷效果良好。沿空留巷稳定后巷道围岩实煤体帮侧顶底移近量不超过800mm，充填体帮顶底移近量不超过610mm，两帮移近量在550 mm左右，整体变形量不大，围岩控制效果较好。成巷效果远远超过了预期技术指标（巷道90%区域的顶底板及两帮移近量小于原有高度及宽度的10%），充填墙体未出现压垮情况，所留巷道安全可靠，满足复用要求。
五、效益分析
1.经济分析效益
22301工作面成功充填留巷1400米，每米留巷成本21482.75元，共计投入费用1400×21482.75=3007.585万元；多回收煤炭资源10万吨（15米×1400米×3.5米×1.36），可洗选精煤约6.8万吨，精煤价格按照1280元计算，可创造经济价值8704万元；少掘送一条巷道的费用：按照每掘进立方米300元计算，300×4.5×3.5×1400=661.5万元。
综上，22301工作面采用沿空留巷能够产生共计创造经济价值：8704+661.5-3007.585=6357.915万元的直接经济效益（说明：以上成本估算的掘巷成本价只计算了直接成本，没有计算瓦斯治理成本）。
2.社会效益分析
（1）和掘巷相比，同样准备一个工作面可少掘一条巷道，掘进率降低30％左右，可大大缓解回采工作面接替紧张的局面。
（2）沿空留巷实现了工作面的Y型通风，两顺槽都进新鲜风流，解决了隅角瓦斯积聚，优化通风系统，有利于安全生产。
（3）由于沿空留下的巷道仍保持正常的通风、排水，可作为工作面的另一个安全出口，提高了工作面的抗灾变能力。
（4）和混凝土沿空留巷相比，辅助运输量小，充填工艺简单，可直接接顶，操作方便。
六、应用建议
1.高水充填沿空留巷适用于顶板条件较好，煤层埋深不超过1000m，破碎程度不高的工作面使用。
2.沿空留巷是一项复杂的系统工程，为确保沿空护巷的成功实施，除了严格按照沿空留巷施工工艺，确保施工质量外，应根据矿压观测结果及时进行反馈分析，及时优化完善方案；
3.沿空留巷支护一般可分为基本支护、加强支护和巷旁支护三部分，三个部分必须相互协调，相互作用，共同起到切断巷旁顶板和维护巷道稳定的作用。由于各矿生产技术条件不同，需要一面一策，避免盲目照搬，保证沿空留巷成功实施；
4.为了适应工作面快速推进和进一步降低工人劳动强度，特别是工作面推进速度较快、一次充填量较大时，建议：①泵站采用自动上料系统，实现机械化上料、自动化上水，精准控制材料配比；②充填点采用端头特殊支架、挡矸支架和快速充填模具；
5.在留巷巷道掘进时一次性采用高强度的锚网索支护，避免二次（补强）支护及多次支护。
6.坚硬顶板难切落时，可采用配套的乳化液钻机快速辅助切顶，降低留巷维护难度和减少充填用料，进一步优化充填体参数。
