完全沿空掘巷影響因素、解決對策及關鍵支護技術研究

劉召輝，經來旺，高全臣，郝鵬偉，經 緯，郭東明

（1.中國礦業(yè)大學 （北京）力學與建筑工程學院，北京100083；2.安徽理工大學礦山工程力學與支護技術研究所，安徽 淮南232001；3.淮北礦業(yè)股份有限責任公司，安徽淮北235025）

較長時期以來，我國一直都在采用沿空掘巷技術，通常的沿空掘巷類型有3種：留設大煤柱沿空掘巷、留設小煤柱沿空掘巷、完全沿空掘巷（無煤柱沿空掘巷）。目前我國采用較多的是留設大小煤柱沿空掘巷，在完全沿空掘巷方面實踐的案例極少，見諸公開出版物的僅幾條巷道[1－6]，尚屬新生事物。同留設大小煤柱沿空巷道比較，完全沿空掘巷具有非常明顯的優(yōu)點，這些優(yōu)點主要體現在3個方面：①節(jié)省資源；②因施工中省去了探水環(huán)節(jié)，故成巷速度很快，對工作面的順利接替有很大意義；③巷道處于地應力最小的位置，巷道支護難度和支護成本均大幅降低。但是，沿空巷道的實施也有其非常復雜的、難以克服的因素，其中最主要的3個影響因素分別是相鄰采空區(qū)內老塘水隱患、相鄰采空區(qū)內瓦斯隱患、相鄰采空區(qū)內余煤自燃隱患等。老塘水直接影響巷道的掘進，如若不能夠事先排除，完全沿空掘巷無實施可能性，因為巷道一旦開挖，則成為老塘水的泄水通道，形成嚴重災害。瓦斯含量是決定完全沿空掘巷可否實施的另一重要條件，如若該層煤瓦斯含量過高，則相鄰采空區(qū)中勢必積聚著大量瓦斯，巷道一旦實施，瓦斯的涌出速度和數量難以控制，極易引發(fā)礦災。煤的自燃性是阻礙完全沿空掘巷的又一基本因素，由于巷道開挖后要實施通風，相當一部分空氣勢必滲流入采空區(qū)，采空區(qū)殘留著大量余煤，如若自然性能較好，在含氧空氣的攪拌下勢必發(fā)生自燃，導致嚴重后果。

上述三方面因素是導致完全沿空掘巷能否實施的三大影響因素，其中任一因素都能阻止完全沿空掘巷的正常實施。但是，只要做到科學分析、預先準備，任何復雜情況下均可以實施完全沿空掘巷，下面以安徽淮北股份有限公司許疃煤礦8214風巷為例來詳細剖析完全沿空掘巷的影響因素與解決對策。

1 許疃煤礦完全沿空掘巷基本概況及影響因素的應對措施

1.1 8214風巷基本概況

許疃煤礦2011年的生產任務要求8214工作面必須按期投入生產，否則每天損失100萬元左右，此中的關鍵是8214風巷能否安全高效地完成掘進任務。8214風巷與8212采空區(qū)毗鄰，與上覆的7214采空區(qū)豎直間距16m左右，水平間距≤30m。7214、8212兩工作面所產生的次生壓力對8214風巷的掘進影響很大，若采用常規(guī)的小煤柱送巷技術，次生高地壓體現出來的高度應力集中會給巷道施工與支護帶來很大的困難，更為主要的是迎頭探水環(huán)節(jié)勢必嚴重影響巷道掘進速度，工作面難以按期投入生產。完全沿空掘巷技術能“省略”迎頭探水環(huán)節(jié)，是保證8214風巷快速掘進的有效方法，同時又可有效解決相鄰煤層開采引發(fā)的應力高度集中問題。然而完全沿空掘巷技術在我國煤礦中極少采用，可借鑒的經驗很少。此外，采用完全沿空掘巷技術還必須處理好上區(qū)段采空區(qū)積水的排放、瓦斯防治、余煤自燃、極松散煤巖體中巷道支護等諸多棘手問題。

許疃煤礦82煤層的自燃傾向如表1所示。

表1 82煤的自燃傾向測定結果統(tǒng)計表

1.2 8214風巷完全沿空掘巷影響因素分析及應對措施研究

許疃煤礦8214風巷實施完全沿空掘巷涉及上述三大基本因素，具體內容及相關對策分析如下所示。

1.2.1 老塘水因素與對策

1）老塘水因素：7214工作面里段，2009年9月30日收作，外段于2010年7月31日收作，其上部7114工作面也早已回采，7214采空區(qū)充水水源為7114采空區(qū)動態(tài)水及72煤層頂板砂巖裂隙水。8212工作面早已于2006年6月26日收作，內部積聚著大量的老塘水。8212工作面采空區(qū)與8214風巷毗鄰，7214工作面位于8214工作面斜上方且距離較近，因此，8214風巷采用完全沿空掘巷方式施工將直接受到8212、7214和7114三個采空區(qū)老塘水的威脅。

2）對策與分析：依據地質資料獲知，7214、8212采空區(qū)的裂隙是相同的，兩采空區(qū)之間存在水利通道，且圖1中1?！?＃鉆孔在7214采空區(qū)中的位置低于8214采空區(qū)的低點，故8212采空區(qū)的水可通過7214采空區(qū)間接進行排放。

圖1 7214采空區(qū)老塘水排水方案示意圖

依據8214風巷施工時間及8212、7214和7114三個采空區(qū)積水量的大小，以及鉆孔排水的能力，最終決定在－500m南大巷設置2個鉆場，每個鉆場設置3個鉆孔（具體見圖1，2鉆場與1鉆場布置基本一致），放水時間自2011年4月1日開始，直至2012年9月1日方才結束，共計排水量10000m3左右。為了確保8214工作面順利回采，在上述排放水措施之外，在風巷最低洼處另設置水倉，水倉內配置排水能力不低于30m3／h的排放水設施各兩套（一套備用）。

8214風巷總長1033m，巷道開工時間2011年6月，平均月成巷129.12m，施工過程無較大涌水發(fā)生，沒有因為老塘水因素影響巷道掘進速度，保證了巷道工程的如期完工、采煤工作面的順利接替。

1.2.2 瓦斯因素與對策

1）瓦斯因素：實施完全沿空掘巷需要考慮的另一基本要素是煤層的瓦斯含量，瓦斯含量較大不僅會導致巷道掘進期間煤層中瓦斯的大量涌出或突出，而且毗鄰采空區(qū)也會涌出大量瓦斯形成嚴重隱患。依據地質勘探期間的檢測報告和該煤層其它已實施工作面情況，82煤瓦斯平均含量很高，在這樣一個富含瓦斯的煤層中實施完全沿空掘巷不是一個簡單的課題，需要進行一系列非常細致的科學分析與論證。

首先，8214上區(qū)段的8212工作面沿煤層露頭布置，瓦斯釋放充分，雖然82煤層整體瓦斯含量很高，但8212工作面局部瓦斯含量很低。另外82煤為焦煤，自身強度很低，手握即碎，這也使得8214風巷周圍的煤體在8212工作面推進過程中發(fā)生較大程度的破碎與松動，即使煤層中原瓦斯含量較高，這一開采過程也使得大部分瓦斯得以有效釋放。其次，8212機巷掘進時基本無瓦斯，8212工作面推進過程中，監(jiān)測到的瓦斯最大含量僅為0.2%，因此8212采空區(qū)內突然涌出大量瓦斯的可能性極小。第三，8212工作面頂板軟弱，冒落比較充分，雖然冒落巖塊并未重新膠結，但也較為密實，在巷道風壓保證的情況下，即使采空區(qū)有少量的瓦斯，瓦斯也難以進入巷道。第四，雖然8214風巷將穿越一些斷層破碎區(qū)等可能富含瓦斯的特殊區(qū)域，但由于相鄰8212機巷早已于幾年前穿越了上述區(qū)域，內含瓦斯已得到有效釋放，故8214風巷穿越這些區(qū)域時不會再出現瓦斯大量涌出現象。

2）對策與分析?；谏鲜鲆蛩胤治觯?214風巷施工與運營期間，8212采空區(qū)內聚集瓦斯不會對8214風巷產生較大影響，這對于實施完全沿空掘巷是一個非常有利的條件，但是82煤終究是一層高瓦斯煤層，各種動壓影響也會導致瓦斯游走，同時82煤層的走向也不是一條水平直線，局部地方存在聚集較多瓦斯的可能，因此，在8214工作面回采期間，必須采取有效措施防微杜漸，確保萬無一失。相關措施為：在風巷上隅角每隔25m預埋一個“T”型站管實施瓦斯抽排，且設計進氣與排氣兩路瓦斯抽排系統(tǒng)。

1.2.3 采空區(qū)余煤自燃因素與對策

1）采空區(qū)余煤自燃因素。由表1知，82煤層屬于Ⅱ類自然發(fā)火煤層，最短發(fā)火周期為94天，在通風良好的情況下，不會自燃發(fā)火，因此8214工作面及8214風巷圍煤不會發(fā)生自燃情況。但在完全沿空的情況下，如若采空區(qū)頂板塌落不完全，碎塊擠壓不密實，同時8214風巷與采空區(qū)之間存在串風、滲流情況，8212采空區(qū)依然存在余煤自燃發(fā)火的可能。

2）對策與分析。8212工作面早已于2006年6月26日收作，由于頂板軟弱，因此冒落比較充分。經鉆孔探測，冒落巖塊雖未重新膠結，但已擠壓密實，因此8214風巷與8212采空區(qū)之間串風、滲流的可能性不大。但從防范未然的角度考慮，對于可能存在的局部擠壓不密實區(qū)段，尚需實施注漿處理，注漿工作可滯后工作面100m實施。如若相鄰采空區(qū)瓦斯聚集量較大，考慮到瓦斯泄漏因素，則需在掘進工作面實施超前預注漿處理。

2 完全沿空掘巷關鍵支護技術

2.1 巷道斷面與支護方式確定

8214風巷為跟底走巷道，巷道周圍煤體在8212工作面推進的過程中曾遭受較大集中應力作用，加上82煤本身強度很低且屬極松散性質，故早已破碎、松散，故不適合采用錨網支護。依據許疃煤礦施工隊伍的技術狀況與水平，該巷道最終決定采用“U”型棚架方式進行支護。

作為完全沿空巷道，8214風巷處于壓力最小的位置，因此支護強度不必太高。考慮到巷道的支護壓力主要發(fā)生在工作面推進過程中巷道超前加強支護的范圍內，故科學的支護理念既要考慮到超前加強支護的方便與效能，又要體現出非超前加固段巷道圍壓較小的情況。國內外煤礦生產中，超前支護大多采用單體液壓支柱，單體液壓支柱輕便、實用且操作簡單，但這種支護在圓拱直墻巷道中實施的難度較大，這主要體現在巷道拱頂較高，巷道拱部曲率較大，單體液壓支柱能力難以發(fā)揮等，總體支護效果較差。很多煤礦為了解決這一問題，直接將巷道設計成梯形截面或矩形截面以利單體液壓支柱的有效應用。但無論是梯形巷道，還是矩形巷道，其穩(wěn)定性均遠差于拱形巷道。為了有效解決這一實際問題，經過較為詳細地力學計算后，課題組決定采用三心拱支護設計。

三心拱支護方式曾在國內外煤炭行業(yè)中盛行一時，但在現階段已經很少采用了，主要原因在于它是一種低地壓情況下的較為經濟的斷面形式（支護方式），相對于梯形斷面和矩形斷面而言，有較高的承載力，但相對半圓拱斷面而言，承載力偏低，是一種適合于淺井煤層巷道的有效支護方式。隨著國內外煤炭開采深度的不斷增大，自上世紀九十年代中期已漸漸地淡出了深部礦井。但是在超前加強支護中，這種支護方式具有十分明顯的優(yōu)點，具體體現在如下4個方面：①三心拱巷道高度較低，巷道掘進與支護成本相對較低，同時巷道掘進期間施工進度也較快。②三心拱巷道除了高度較低之外，其拱部曲率也較小，這兩方面因素均使得液壓點柱的支護能力得以高效發(fā)揮。③伴隨著工作面的推進，在支架的回收方面，三心拱支架也也因其高度較低，重量較輕，尺寸較小而優(yōu)勢明顯。④三心拱支架的支護強度遠高于矩形和梯形斷面對應的棚架支護方式。

2.2 巷道支護中關鍵部位處理技術

2.2.1 拱形支架變形破壞原因分析

對于煤巷拱形支架，保持其支護強度的關鍵在于棚架外側的圍煤壓力，尤其拱腰部位外側一定數量的壓力是保持支架穩(wěn)定性的重要因素，一旦該部位壓力喪失，支架整體承載力將大幅削弱?？v觀各地變形、破壞嚴重的煤礦工作面巷道，均具有一個十分突出的特點，即支架拱腰部位的外側均有一個因碎煤流漏而產生的空洞，這一部位是巷道集中應力程度較高的部位，通常煤體比較破碎。力學計算結果表明，因拱腰外側壓力喪失而導致“U”型鋼支架拱腰截面增大的彎矩值是原先的2.5～3倍，正是這一變化導致了支架拱腰彎折、棚腿內移、支架整體結構承載力逐漸喪失。

2.2.2 關鍵技術

8214巷道三心拱支架由29U型鋼加工而成，梁腿間搭茬長度為550mm，搭茬處用兩副U形卡纜卡緊，棚距為600mm，采用竹笆背幫拱頂，其中拱腰部位竹笆與煤壁支間加鋪一層雙抗布，雙抗布寬度1200mm，以拱腰中點為中心沿斷面展開。

2.2.3 對比檢測

8214風巷支護中，特別地設置了100m沒有加鋪雙抗布的試驗段用以對比分析，每個試驗段取4個監(jiān)測斷面，下面曲線為4個斷面監(jiān)測數據的平均值，兩幫測點位置位于底板上200mm處，測得的數據經整理后如圖2所示。圖2中顯示，未設置雙抗布的區(qū)段經過一段時間的收斂后因拱腰部位碎煤流漏、支架承載力下降，變形速度重新上升，設置雙抗布的區(qū)段，變形速度逐漸趨于穩(wěn)定。顯然一層簡單、經濟的雙抗布對保持支護強度具有很大的作用，是松散煤巷支護中不可或缺的手段。

圖2 設置雙抗布與未設置雙抗布對比分析曲線

3 結論

1）成巷近兩年的實踐證明，許疃煤礦8214風巷是一個非常成功的完全沿空掘巷的案例，之所以獲得成功的一個重要因素在于對地質資料的詳細剖析，正是這一細致工作為老塘水抽排奠定了完美的設計方案，為消除采空區(qū)瓦斯大量涌出、余煤自燃等隱患奠定了基礎。

2）大膽的采用三心拱U型棚架支護設計，與該礦慣常采用的半圓拱U型棚架支護設計比較，大幅降低了巷道高度、掘進成本、支護成本和超前支護的勞動量，但支護效率、支護效果均大幅提升。

3）揭示了拱形棚架支護破壞的主要因素是拱部煤體受集中應力作用發(fā)生破碎、流漏并進而導致支架整體受力惡化的原因，并據此挖掘了小范圍雙抗布堵漏關鍵技術，保證了支護結構的承載力。

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