煤礦工作面沿空留巷支護(hù)技術(shù)研究

李澤鵬

（山西省陽(yáng)泉市陽(yáng)煤集團(tuán)新景公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

隨著煤礦開(kāi)采成本的逐步提高，較多煤礦開(kāi)始推行了無(wú)煤巷、無(wú)煤柱的開(kāi)采需求[1]。同時(shí)，由于工作面中的地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)復(fù)雜，外部影響因素較多，導(dǎo)致部分支護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)了不同程度的支護(hù)缺陷，給現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)帶來(lái)了巨大的安全隱患。沿空留巷支護(hù)技術(shù)憑借著充分利用現(xiàn)有資源、提高工作面中煤礦開(kāi)采率的優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前工作面巷道支護(hù)中得到了廣泛推廣應(yīng)用，與其他支護(hù)形式相比，具有更為明顯的支護(hù)優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)前景較為明顯[2]。但在實(shí)際使用中，仍存在較多問(wèn)題。因此，就當(dāng)前沿空留巷支護(hù)技術(shù)的特點(diǎn)及存在問(wèn)題，進(jìn)一步開(kāi)展了該支護(hù)技術(shù)的提升措施研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 沿空留巷支護(hù)特點(diǎn)分析

沿空留巷支護(hù)示意圖如圖1 所示[3]。其支護(hù)原理為：對(duì)原有的開(kāi)采邊緣區(qū)域進(jìn)行支護(hù)維護(hù)，并對(duì)殘留的煤柱進(jìn)行二次開(kāi)采，實(shí)現(xiàn)煤層的回收利用，所支護(hù)的巷道可作為下一個(gè)工作面的開(kāi)采巷道，可提高煤礦的零煤柱開(kāi)采效率，目前已在煤礦開(kāi)采支護(hù)領(lǐng)域得到大量的推廣應(yīng)用。整套支護(hù)技術(shù)在應(yīng)用時(shí)會(huì)受到外部的動(dòng)壓作用，使得巷道支撐面不僅需承受來(lái)自頂板的外部壓力，也將承受外界的二次動(dòng)載荷壓力，因此，設(shè)計(jì)施工時(shí)通過(guò)合理的計(jì)算來(lái)確定對(duì)巷道的支撐力。另外，由于巷道中夾渣著較多的煤礦、煤渣等物料，部分區(qū)域還聚集著較多的瓦斯?jié)舛?，因此在支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)對(duì)其密封性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 現(xiàn)有支護(hù)形式分析

2.1 木垛巷旁支護(hù)

圖1 沿空留巷支護(hù)示意圖

木垛巷旁支護(hù)是國(guó)內(nèi)早期的一種應(yīng)用較為廣泛的支護(hù)方式，屬于巷道中晚支撐支架結(jié)構(gòu)，其核心支柱均采用的是木垛材料進(jìn)行支護(hù)，具有支護(hù)成本低、安裝方便可靠等特點(diǎn)，其立柱被拆下之后，能進(jìn)行局部區(qū)域或其他領(lǐng)域的循環(huán)使用[4]。但由于木垛具有較高的壓縮性，加上長(zhǎng)時(shí)間的支護(hù)及較大環(huán)境的濕度，長(zhǎng)時(shí)間的使用，會(huì)極大影響巷道的支護(hù)安全性，加上當(dāng)前更加先進(jìn)的支護(hù)結(jié)構(gòu)已逐漸被應(yīng)用到巷道中，導(dǎo)致木垛巷旁支護(hù)已不能較好的適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境，適應(yīng)范圍呈逐漸減少趨勢(shì)。

2.2 密集支柱巷旁支護(hù)

密集支柱巷旁支護(hù)采用了松木或鋼管結(jié)構(gòu)對(duì)巷道中幫襯進(jìn)行支護(hù)，一般支柱的直徑均是超過(guò)15 cm以上，單根支柱的支撐力在400 kN 以上，支撐過(guò)程中安裝一定數(shù)量進(jìn)行橫向、縱向的支撐，屬于巷道中剛性支撐方式，針對(duì)較硬頂板結(jié)構(gòu)及高度，在一定范圍內(nèi)，能起到較好的支撐效果，有效保護(hù)巷道的支撐安全。但此支撐方式采用的是松木與巷道幫襯進(jìn)行直接接觸方式，若遇到較軟頂板及不平整地面，支柱極容易出現(xiàn)局部?jī)A斜或松動(dòng)現(xiàn)象，且針對(duì)同一界面不同高度巷道，需采用不同規(guī)格的支柱進(jìn)行操作[5]。另外，針對(duì)巷道高度過(guò)高情況，若采用此支護(hù)方式，會(huì)使支柱出現(xiàn)彎曲而影響其結(jié)構(gòu)的支撐性能。一般情況下，此支柱不能進(jìn)行循環(huán)回收使用，這樣會(huì)造成一定程度的材料損失。因此，密集支柱巷旁支護(hù)常用于頂板較硬、地面較平、2 m 高度范圍內(nèi)的煤層巷道支護(hù)環(huán)境中。

2.3 矸石帶巷旁支護(hù)

矸石帶巷旁支護(hù)屬于一種堆砌型支護(hù)方式，目前在國(guó)內(nèi)的煤礦巷道支護(hù)中應(yīng)用得較為廣泛，具有支撐效果好、原材料用料低、稱重能力強(qiáng)、支護(hù)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，支護(hù)到一定高度后，會(huì)利用其較大的壓力性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板的較好支撐，能更好地適用于頂板出現(xiàn)的緩慢下沉現(xiàn)象，所適用的巷道高度一般在1.5～2 m 范圍內(nèi)。但此支護(hù)方式的勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較大，整體的支護(hù)壓縮量可達(dá)30%以上，因此，其早期支護(hù)過(guò)程中具有較低的穩(wěn)定性。矸石帶巷旁支護(hù)技術(shù)的使用，實(shí)現(xiàn)了巷道低成本、高效率的支護(hù)。

3 沿空留巷支護(hù)存在問(wèn)題

經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的沿空留巷在支護(hù)過(guò)程中，其頂板會(huì)出現(xiàn)較為明顯的離層現(xiàn)象，特別是針對(duì)頂板結(jié)構(gòu)較弱或存在較多泥巖成分時(shí)，則更容易使頂板出現(xiàn)網(wǎng)兜的現(xiàn)象，若局部區(qū)域出現(xiàn)積水時(shí)，頂板也會(huì)因水量的聚集而出現(xiàn)膨脹變形問(wèn)題。經(jīng)觀察，部分巷道中利用錨網(wǎng)索進(jìn)行支護(hù)的情況相對(duì)較多，但隨著外部的較大壓力及積水作用，使得部分錨網(wǎng)索裸露在外部區(qū)域，并嵌入至頂板結(jié)構(gòu)中，部分區(qū)域的離層距離達(dá)到了220 mm。同時(shí)，巷道兩幫由于受到較大的外部壓力，在長(zhǎng)時(shí)間的支撐過(guò)程中，局部區(qū)域極容易出現(xiàn)較多的誘發(fā)事故點(diǎn)，由此引發(fā)結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱變形失效現(xiàn)象。另外，在巷道實(shí)際支護(hù)過(guò)程中，巷道底板會(huì)出現(xiàn)不同程度的鼓起現(xiàn)象，最大鼓起量可達(dá)1 m 以上，這不僅給巷道中的正常作業(yè)構(gòu)成了重要影響，也會(huì)給井下作業(yè)安全構(gòu)成威脅。

4 沿空留巷支護(hù)效果提升措施

4.1 對(duì)沿空留巷支護(hù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)

由于不同地質(zhì)條件的頂板結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)整個(gè)巷道產(chǎn)生不同程度的壓縮變形現(xiàn)象，也會(huì)使得巷道中煤層的裂紋增加，給巷道的作業(yè)安全構(gòu)成了重要威脅。因此，在沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需根據(jù)巷道的實(shí)際支撐情況，采取不同的支護(hù)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定合理的沿空留巷參數(shù)，包括借助梯形的剛性結(jié)構(gòu)進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，并將當(dāng)前成熟的錨索結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)，以此加強(qiáng)對(duì)巷道的支撐作業(yè)。同時(shí)，可通過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)巷道中預(yù)留的填充控制進(jìn)行填充加固，保證墻體具有較強(qiáng)的支護(hù)性能。另外，設(shè)計(jì)時(shí)需充分開(kāi)裂巷道中動(dòng)壓對(duì)巷道的影響，以此來(lái)更加準(zhǔn)確、有針對(duì)性地設(shè)計(jì)一套支護(hù)方案。

4.2 加強(qiáng)對(duì)巷道中瓦斯?jié)舛鹊念A(yù)防管理

由于沿空留巷技術(shù)主要是對(duì)當(dāng)前殘余的煤柱進(jìn)行開(kāi)采，并加強(qiáng)對(duì)巷道的支護(hù)。故所作業(yè)的巷道中經(jīng)常聚集著大量的瓦斯?jié)舛龋乜樟粝镌谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，若沒(méi)實(shí)現(xiàn)巷道的有效密封，外部空氣將極容易進(jìn)入內(nèi)部空間，引發(fā)瓦斯爆炸事故。因此，首先需對(duì)當(dāng)前巷道中存在密封泄漏處進(jìn)行密封加密處理，包括對(duì)縫隙處澆筑混凝土和填充物等，保證巷道內(nèi)部空間具有較高的密閉性；同時(shí)，在合適位置開(kāi)設(shè)排風(fēng)口或加大當(dāng)前排放口的通風(fēng)量，有效將巷道內(nèi)聚集的瓦斯排出至外部空間；另外，需加強(qiáng)對(duì)巷道中瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)控，出現(xiàn)異常情況時(shí)，需及時(shí)進(jìn)行瓦斯報(bào)警及異常處理。實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道中瓦斯?jié)舛鹊墓芾砑翱刂?，則能實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道安全的有效預(yù)防。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

結(jié)合前文提出的沿空留巷支護(hù)改進(jìn)措施，按照以上改進(jìn)措施，進(jìn)行優(yōu)化后技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證。在測(cè)試過(guò)程中，每隔20 m 設(shè)置一個(gè)檢測(cè)站，用于對(duì)巷道頂板進(jìn)行測(cè)量記錄。經(jīng)測(cè)量多個(gè)測(cè)試點(diǎn)中，頂板的最大變形位置控制在100 mm 范圍，其他區(qū)域均未出現(xiàn)較大變形，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道的穩(wěn)定支護(hù)，保證了巷道斷面的完整性，可以作為下一個(gè)回采工作面的通風(fēng)巷道。少掘進(jìn)一條通風(fēng)巷道，有效縮短了工作面的銜接周期，優(yōu)化了采掘銜接。同時(shí)，無(wú)煤柱沿空留巷開(kāi)采，提高了資源的回收率，能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)收益。另外，在整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)搭建過(guò)程中，人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，系統(tǒng)搭建效率也提高了將近1倍，所帶來(lái)的支護(hù)優(yōu)勢(shì)較為明顯。由此，驗(yàn)證了此支護(hù)技術(shù)的可行性及可靠性。

6 結(jié)語(yǔ)

沿空留巷支護(hù)技術(shù)主要是利用上一個(gè)工作面的巷道支護(hù)作為當(dāng)前的支護(hù)，并對(duì)其進(jìn)行加固支護(hù)，是一種經(jīng)濟(jì)、有效的支護(hù)技術(shù)。運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)，不僅能充分利用原有的巷道支護(hù)資源，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)法開(kāi)采的煤柱進(jìn)行徹底開(kāi)采，實(shí)現(xiàn)企業(yè)較高的經(jīng)濟(jì)效益。在沿空留巷支護(hù)過(guò)程中，有效掌握來(lái)自頂部的壓力沖擊，保證巷道具有較高的密封性及合理的排放系統(tǒng)，控制瓦斯?jié)舛鹊木奂?，利用科學(xué)、合理的方式來(lái)確定最佳的支護(hù)參數(shù)及支護(hù)方式，是實(shí)現(xiàn)巷道高開(kāi)采率、安全作業(yè)的關(guān)鍵。