沿空留巷支護條件下的采空區(qū)處理措施

何興巧，鄧月華

(1.四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團有限責任公司，四川 成都 610091；2.宜賓學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，四川 宜賓 644000)

0 引言

煤礦采煤工作面開采后采空區(qū)的處理問題，一直是一個采礦技術(shù)難題，頂板的大面積垮落沖擊，采空區(qū)發(fā)火，是研究采空區(qū)處理問題的關(guān)鍵[1]。由于煤礦的條件差異，采空區(qū)位置、形態(tài)各不相同，采空區(qū)的處理方法也各有不同。如何針對煤礦采空區(qū)的特點和條件，綜合考慮影響的各種因素，成為煤礦安全技術(shù)研究的熱點之一[2]。采空區(qū)處理方法通常有全部垮落、封閉、加固和充填等，選擇合理的采空區(qū)處理方法，能減免采空區(qū)發(fā)火，避免大規(guī)模的頂板活動，確保井下作業(yè)安全。

隨著煤礦開采機械化程度的提高，為了解決采掘接替緊張、瓦斯超限及提高回采率等問題，礦井在不斷推廣使用沿空留巷技術(shù)。采用沿空留巷技術(shù)，可以減少巷道掘進量，實現(xiàn)工作面Y型通風，有效治理工作面瓦斯超限難題，提高煤炭資源采出率，緩解采掘接替緊張的矛盾。

1 沿空留巷支護要求

1.1 沿空留巷支護的可靠性和經(jīng)濟性

可靠性：工作面開采后沿采空區(qū)留設(shè)巷道要經(jīng)歷多次采動影響，巷道圍巖變形量大，破壞嚴重。實施沿空留巷時，應(yīng)保證巷道基本支護和加強支護的支護質(zhì)量，控制圍巖變形破壞，確保留設(shè)巷道既滿足本工作面生產(chǎn)需要，也能滿足相鄰工作面設(shè)備運行、行人和通風需要。

經(jīng)濟性：根據(jù)煤礦的具體地質(zhì)條件選取的沿空留巷方案不僅技術(shù)可行及安全可靠，有利于提高煤炭采出率、降低巷道掘進率和緩解采掘接替緊張，還應(yīng)降低實施過程中的經(jīng)濟成本。

1.2 沿空留巷支護的安全性和系統(tǒng)性

安全性：沿采空區(qū)巷道礦山壓力顯現(xiàn)明顯，采空區(qū)瓦斯運移富集規(guī)律復(fù)雜，須嚴格按照《煤礦安全規(guī)程》和其它相關(guān)技術(shù)文件要求，加強圍巖變形量及瓦斯含量的監(jiān)測，保證施工作業(yè)安全，避免造成人員傷亡。

系統(tǒng)性：實施沿空留巷是一個系統(tǒng)工程，涉及回采巷道的掘進及支護工藝，工作面的超前支護、端部支護、巷道超前工作面加強支護和滯后的沿空護巷支護等階段。因此，實施沿空護巷技術(shù)時，應(yīng)綜合考慮各階段具體的施工設(shè)計方案，明確各階段支護重點及作用，明確各階段之間的聯(lián)系。

2 采空區(qū)巷旁支護規(guī)律

煤礦井下在應(yīng)用沿空留巷技術(shù)時，根據(jù)各煤層沿空留巷的適應(yīng)性等級，采用砌塊充填、泵送混凝土、矸石袋充填、冒落矸石自然充填及超前預(yù)裂爆破成巷等技術(shù)進行巷旁頂板控制。采空區(qū)巷旁支護過程應(yīng)遵循以下規(guī)律。

及時構(gòu)筑采空區(qū)巷旁支護結(jié)構(gòu)，有效控制采空區(qū)巷旁頂板及留設(shè)巷道內(nèi)頂板的變形：工作面端部支護應(yīng)包括巷旁支護作業(yè)空間的頂板控制，待工作面回采以后及時進行采空區(qū)巷旁支護的施工，保證采空區(qū)巷旁支護結(jié)構(gòu)及時控制直接頂?shù)碾x層，及時切斷采空區(qū)直接頂板，使垮落矸石在采空區(qū)內(nèi)充填支撐老頂，減少其上覆巖層的彎曲下沉，同時減少留設(shè)巷內(nèi)支護結(jié)構(gòu)所承受的載荷，保持保留巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

及時封閉工作面采空區(qū)：工作面回采后，及時構(gòu)筑巷旁充填結(jié)構(gòu)，并應(yīng)有封閉采空區(qū)的措施，阻止巷道新鮮風流進入采空區(qū)，防止采空區(qū)遺煤自然發(fā)火，同時避免采空區(qū)漏風，使有害氣體逸出。

遵循巷道圍巖頂板活動規(guī)律：遵循沿空留巷頂板活動規(guī)律，使采空區(qū)巷旁支護結(jié)構(gòu)適應(yīng)老頂?shù)摹敖o定變形”和“給定載荷”狀態(tài)。

特殊支護：在沿空留巷實施過程中，應(yīng)采取針對性的支護措施，確保采空區(qū)冒落矸石自然充填過程中巷旁擋矸裝置穩(wěn)定可靠，留設(shè)巷道超前預(yù)裂爆破成巷的頂板支護錨桿、錨索及架棚支護穩(wěn)定可靠，維護巷道穩(wěn)定及防止采空區(qū)竄矸傷人。

3 沿空留巷時采空區(qū)處理方法

基于上述對工作面采空區(qū)沿空留巷支護要求及巷旁支護規(guī)律的分析，礦井實施沿空留巷時，針對采空區(qū)自然、漏風、積水等問題采取相應(yīng)的防治措施。

3.1 采空區(qū)的防滅火措施

液氮防滅火：為了處理采空區(qū)自然發(fā)火，應(yīng)在預(yù)留巷道里鋪設(shè)一條液氮輸送管路。實施沿空留巷過程中，在巷旁支護結(jié)構(gòu)體內(nèi)預(yù)先埋設(shè)注氮管，平時設(shè)置法蘭盤堵死，確保必要時能及時與巷內(nèi)的液氮輸送管路連接。注氮管標準：管徑φ108 mm，距充填墻底部高度400～600 mm(根據(jù)煤層傾角、厚度等調(diào)整)，墻外露頭200 mm，墻內(nèi)露頭200 mm，每隔20 m布置一根。具體布置如圖1所示。

圖1 沿空護巷注氮管路鋪設(shè)圖

以采空區(qū)氧化帶中O2濃度大小作為注氮強度的依據(jù)。如果采空區(qū)中O2濃度大于15%或標志性氣體超過防火安全濃度，應(yīng)加大注氮量，每小時注氮量控制在600 m3，每天注氮量不小于10 000 m3。一旦巷旁支護結(jié)構(gòu)體內(nèi)采空區(qū)遺煤自燃，應(yīng)采取由支護結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)先埋設(shè)的充填管進行注氮。按漏風量考慮，可按下式計算

Q=60×Q1(C1-C2)/(C2-1+CN)

(1)

式中：Q—采空區(qū)滅火注氮量，m3/h；Q1—采空區(qū)漏風量，m3/min；C1—發(fā)生火災(zāi)前采空區(qū)初試O2濃度；C2—采空區(qū)滅火墮化指標規(guī)定的O2濃度值，可取3%；CN—注入氮氣中的氮氣純度，取99%。

灌漿、注膠防滅火：灌漿、注膠防滅火系統(tǒng)主要由其地面部分、井下部分以及管網(wǎng)組成。地面部分主要包括供水系統(tǒng)、制漿系統(tǒng)、懸浮劑添加設(shè)備、濾漿器、增壓泵和自動監(jiān)控系統(tǒng)；井下部分設(shè)備主要由輸漿管道和礦用注漿機組成；管網(wǎng)單獨敷設(shè)。沿空留巷期間，如果因巷旁支護結(jié)構(gòu)不接頂?shù)嚷╋L因素，致使工作面采空區(qū)發(fā)火，便立即利用灌漿管路，對不接頂處進行灌漿堵漏。

人工檢測防滅火：沿空留巷期間，對留巷段采空區(qū)內(nèi)CO等有毒有害氣體的監(jiān)測尤為重要。在留巷期間，應(yīng)每天定期由專職瓦檢員不少于3次檢查采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯、CO等有毒有害氣體含量，并每班定點采樣送地面進行色譜分析。

3.2 采空區(qū)的防漏風措施

采空區(qū)巷旁支護結(jié)構(gòu)體防漏風措施：巷旁支護結(jié)構(gòu)支護前未清理凈底板淤煤、雜物、矸石，墻體受壓時產(chǎn)生滑動，導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生裂縫。對于泵送混凝土、高水材料等墻體，易出現(xiàn)這種問題。在新、舊支護結(jié)構(gòu)搭接處，支護體結(jié)合不緊密，支護體間產(chǎn)生裂縫形成漏風。對于泵送混凝土、高水材料等墻體，易出現(xiàn)這種問題。矸石袋、砌塊等支護體由于搭接不緊密容易留下縫隙，后噴射的防漏風材料由于與支護體受壓變形量不同，在變形過程中脫落。

沿空留巷采空區(qū)防止漏風措施：采空區(qū)巷旁支護前徹底清除底板上的浮煤雜物，避免巷旁支護結(jié)構(gòu)體的不均勻下沉。泵送混凝土、高水材料等作為支護結(jié)構(gòu)體，在新、舊墻體之間預(yù)先設(shè)置鋼筋，減少相鄰充填體相對位移，從而避免產(chǎn)生裂縫；對于矸石袋、砌塊等作為支護結(jié)構(gòu)體，在堆砌的過程中，應(yīng)該嚴格控制施工質(zhì)量，減少縫隙，對于不可避免的縫隙應(yīng)用黃泥等不燃材料進行封堵。沿空留巷采用巷道注漿措施時，無論何種巷旁支護結(jié)構(gòu)體，支護體靠巷道側(cè)都應(yīng)采用錨帶網(wǎng)，以便在減少支護體變形的同時，使支護體表面具有一定的凹凸性，增加噴漿材料的附著力，防止噴漿材料的脫落。在巷旁支護結(jié)構(gòu)體砌筑完成后進行首次噴漿防護，在支護體受壓變形穩(wěn)定后進行二次噴漿防護，并應(yīng)派遣巡查人員，周期性檢查支護體，支護體出現(xiàn)裂縫應(yīng)及時修補。

3.3 采空區(qū)的防積水措施

對于淋水較大的工作面，采空區(qū)會形成大量積水，需要及時疏導(dǎo)采空區(qū)積水。一般在沿空巷道靠未采煤體幫的底板留設(shè)一條排水道，在巷旁支護結(jié)構(gòu)體內(nèi)間隔10 m預(yù)先埋設(shè)一根排水彎管，通過巷道底板的引水道，連接排水管和排水道。排水管選用直徑φ25 mm鋼管，設(shè)置在支護體距底板400～600mm處(根據(jù)煤層傾角、厚度等調(diào)整)。排水管的彎曲段設(shè)置在巷道側(cè)，利用管道內(nèi)的積水隔絕采空區(qū)瓦斯等有害氣體，采空區(qū)側(cè)露頭100 mm。具體設(shè)置如圖2所示。

圖2 采空區(qū)排水設(shè)置示意圖

4 結(jié)語

應(yīng)用沿空留巷技術(shù)后的采空區(qū)處理方法有其特殊性，在選擇方案時應(yīng)遵循支護可靠、經(jīng)濟、安全，同時兼顧系統(tǒng)性原則并及時構(gòu)筑采空區(qū)巷旁支護結(jié)構(gòu)，及時封閉采空區(qū)，遵循巷道圍巖頂板活動規(guī)律。在采空區(qū)防滅火方面可采取注液氮、灌漿、注膠處理自然發(fā)火，并人工檢測防滅火。