完全沿空掘巷影响因素、解决对策及关键支护技术研究

刘召辉，经来旺，高全臣，郝鹏伟，经 纬，郭东明

（1.中国矿业大学 （北京）力学与建筑工程学院，北京100083；2.安徽理工大学矿山工程力学与支护技术研究所，安徽 淮南232001；3.淮北矿业股份有限责任公司，安徽淮北235025）

较长时期以来，我国一直都在采用沿空掘巷技术，通常的沿空掘巷类型有3种：留设大煤柱沿空掘巷、留设小煤柱沿空掘巷、完全沿空掘巷（无煤柱沿空掘巷）。目前我国采用较多的是留设大小煤柱沿空掘巷，在完全沿空掘巷方面实践的案例极少，见诸公开出版物的仅几条巷道[1－6]，尚属新生事物。同留设大小煤柱沿空巷道比较，完全沿空掘巷具有非常明显的优点，这些优点主要体现在3个方面：①节省资源；②因施工中省去了探水环节，故成巷速度很快，对工作面的顺利接替有很大意义；③巷道处于地应力最小的位置，巷道支护难度和支护成本均大幅降低。但是，沿空巷道的实施也有其非常复杂的、难以克服的因素，其中最主要的3个影响因素分别是相邻采空区内老塘水隐患、相邻采空区内瓦斯隐患、相邻采空区内余煤自燃隐患等。老塘水直接影响巷道的掘进，如若不能够事先排除，完全沿空掘巷无实施可能性，因为巷道一旦开挖，则成为老塘水的泄水通道，形成严重灾害。瓦斯含量是决定完全沿空掘巷可否实施的另一重要条件，如若该层煤瓦斯含量过高，则相邻采空区中势必积聚着大量瓦斯，巷道一旦实施，瓦斯的涌出速度和数量难以控制，极易引发矿灾。煤的自燃性是阻碍完全沿空掘巷的又一基本因素，由于巷道开挖后要实施通风，相当一部分空气势必渗流入采空区，采空区残留着大量余煤，如若自然性能较好，在含氧空气的搅拌下势必发生自燃，导致严重后果。

上述三方面因素是导致完全沿空掘巷能否实施的三大影响因素，其中任一因素都能阻止完全沿空掘巷的正常实施。但是，只要做到科学分析、预先准备，任何复杂情况下均可以实施完全沿空掘巷，下面以安徽淮北股份有限公司许疃煤矿8214风巷为例来详细剖析完全沿空掘巷的影响因素与解决对策。

1 许疃煤矿完全沿空掘巷基本概况及影响因素的应对措施

1.1 8214风巷基本概况

许疃煤矿2011年的生产任务要求8214工作面必须按期投入生产，否则每天损失100万元左右，此中的关键是8214风巷能否安全高效地完成掘进任务。8214风巷与8212采空区毗邻，与上覆的7214采空区竖直间距16m左右，水平间距≤30m。7214、8212两工作面所产生的次生压力对8214风巷的掘进影响很大，若采用常规的小煤柱送巷技术，次生高地压体现出来的高度应力集中会给巷道施工与支护带来很大的困难，更为主要的是迎头探水环节势必严重影响巷道掘进速度，工作面难以按期投入生产。完全沿空掘巷技术能“省略”迎头探水环节，是保证8214风巷快速掘进的有效方法，同时又可有效解决相邻煤层开采引发的应力高度集中问题。然而完全沿空掘巷技术在我国煤矿中极少采用，可借鉴的经验很少。此外，采用完全沿空掘巷技术还必须处理好上区段采空区积水的排放、瓦斯防治、余煤自燃、极松散煤岩体中巷道支护等诸多棘手问题。

许疃煤矿82煤层的自燃倾向如表1所示。

表1 82煤的自燃倾向测定结果统计表

1.2 8214风巷完全沿空掘巷影响因素分析及应对措施研究

许疃煤矿8214风巷实施完全沿空掘巷涉及上述三大基本因素，具体内容及相关对策分析如下所示。

1.2.1 老塘水因素与对策

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采空区充水水源为7114采空区动态水及72煤层顶板砂岩裂隙水。8212工作面早已于2006年6月26日收作，内部积聚着大量的老塘水。8212工作面采空区与8214风巷毗邻，7214工作面位于8214工作面斜上方且距离较近，因此，8214风巷采用完全沿空掘巷方式施工将直接受到8212、7214和7114三个采空区老塘水的威胁。

2）对策与分析：依据地质资料获知，7214、8212采空区的裂隙是相同的，两采空区之间存在水利通道，且图1中1＃～6＃钻孔在7214采空区中的位置低于8214采空区的低点，故8212采空区的水可通过7214采空区间接进行排放。

图1 7214采空区老塘水排水方案示意图

依据8214风巷施工时间及8212、7214和7114三个采空区积水量的大小，以及钻孔排水的能力，最终决定在－500m南大巷设置2个钻场，每个钻场设置3个钻孔（具体见图1，2钻场与1钻场布置基本一致），放水时间自2011年4月1日开始，直至2012年9月1日方才结束，共计排水量10000m3左右。为了确保8214工作面顺利回采，在上述排放水措施之外，在风巷最低洼处另设置水仓，水仓内配置排水能力不低于30m3／h的排放水设施各两套（一套备用）。

8214风巷总长1033m，巷道开工时间2011年6月，平均月成巷129.12m，施工过程无较大涌水发生，没有因为老塘水因素影响巷道掘进速度，保证了巷道工程的如期完工、采煤工作面的顺利接替。

1.2.2 瓦斯因素与对策

1）瓦斯因素：实施完全沿空掘巷需要考虑的另一基本要素是煤层的瓦斯含量，瓦斯含量较大不仅会导致巷道掘进期间煤层中瓦斯的大量涌出或突出，而且毗邻采空区也会涌出大量瓦斯形成严重隐患。依据地质勘探期间的检测报告和该煤层其它已实施工作面情况，82煤瓦斯平均含量很高，在这样一个富含瓦斯的煤层中实施完全沿空掘巷不是一个简单的课题，需要进行一系列非常细致的科学分析与论证。

首先，8214上区段的8212工作面沿煤层露头布置，瓦斯释放充分，虽然82煤层整体瓦斯含量很高，但8212工作面局部瓦斯含量很低。另外82煤为焦煤，自身强度很低，手握即碎，这也使得8214风巷周围的煤体在8212工作面推进过程中发生较大程度的破碎与松动，即使煤层中原瓦斯含量较高，这一开采过程也使得大部分瓦斯得以有效释放。其次，8212机巷掘进时基本无瓦斯，8212工作面推进过程中，监测到的瓦斯最大含量仅为0.2%，因此8212采空区内突然涌出大量瓦斯的可能性极小。第三，8212工作面顶板软弱，冒落比较充分，虽然冒落岩块并未重新胶结，但也较为密实，在巷道风压保证的情况下，即使采空区有少量的瓦斯，瓦斯也难以进入巷道。第四，虽然8214风巷将穿越一些断层破碎区等可能富含瓦斯的特殊区域，但由于相邻8212机巷早已于几年前穿越了上述区域，内含瓦斯已得到有效释放，故8214风巷穿越这些区域时不会再出现瓦斯大量涌出现象。

2）对策与分析。基于上述因素分析，8214风巷施工与运营期间，8212采空区内聚集瓦斯不会对8214风巷产生较大影响，这对于实施完全沿空掘巷是一个非常有利的条件，但是82煤终究是一层高瓦斯煤层，各种动压影响也会导致瓦斯游走，同时82煤层的走向也不是一条水平直线，局部地方存在聚集较多瓦斯的可能，因此，在8214工作面回采期间，必须采取有效措施防微杜渐，确保万无一失。相关措施为：在风巷上隅角每隔25m预埋一个“T”型站管实施瓦斯抽排，且设计进气与排气两路瓦斯抽排系统。

1.2.3 采空区余煤自燃因素与对策

1）采空区余煤自燃因素。由表1知，82煤层属于Ⅱ类自然发火煤层，最短发火周期为94天，在通风良好的情况下，不会自燃发火，因此8214工作面及8214风巷围煤不会发生自燃情况。但在完全沿空的情况下，如若采空区顶板塌落不完全，碎块挤压不密实，同时8214风巷与采空区之间存在串风、渗流情况，8212采空区依然存在余煤自燃发火的可能。

2）对策与分析。8212工作面早已于2006年6月26日收作，由于顶板软弱，因此冒落比较充分。经钻孔探测，冒落岩块虽未重新胶结，但已挤压密实，因此8214风巷与8212采空区之间串风、渗流的可能性不大。但从防范未然的角度考虑，对于可能存在的局部挤压不密实区段，尚需实施注浆处理，注浆工作可滞后工作面100m实施。如若相邻采空区瓦斯聚集量较大，考虑到瓦斯泄漏因素，则需在掘进工作面实施超前预注浆处理。

2 完全沿空掘巷关键支护技术

2.1 巷道断面与支护方式确定

8214风巷为跟底走巷道，巷道周围煤体在8212工作面推进的过程中曾遭受较大集中应力作用，加上82煤本身强度很低且属极松散性质，故早已破碎、松散，故不适合采用锚网支护。依据许疃煤矿施工队伍的技术状况与水平，该巷道最终决定采用“U”型棚架方式进行支护。

作为完全沿空巷道，8214风巷处于压力最小的位置，因此支护强度不必太高。考虑到巷道的支护压力主要发生在工作面推进过程中巷道超前加强支护的范围内，故科学的支护理念既要考虑到超前加强支护的方便与效能，又要体现出非超前加固段巷道围压较小的情况。国内外煤矿生产中，超前支护大多采用单体液压支柱，单体液压支柱轻便、实用且操作简单，但这种支护在圆拱直墙巷道中实施的难度较大，这主要体现在巷道拱顶较高，巷道拱部曲率较大，单体液压支柱能力难以发挥等，总体支护效果较差。很多煤矿为了解决这一问题，直接将巷道设计成梯形截面或矩形截面以利单体液压支柱的有效应用。但无论是梯形巷道，还是矩形巷道，其稳定性均远差于拱形巷道。为了有效解决这一实际问题，经过较为详细地力学计算后，课题组决定采用三心拱支护设计。

三心拱支护方式曾在国内外煤炭行业中盛行一时，但在现阶段已经很少采用了，主要原因在于它是一种低地压情况下的较为经济的断面形式（支护方式），相对于梯形断面和矩形断面而言，有较高的承载力，但相对半圆拱断面而言，承载力偏低，是一种适合于浅井煤层巷道的有效支护方式。随着国内外煤炭开采深度的不断增大，自上世纪九十年代中期已渐渐地淡出了深部矿井。但是在超前加强支护中，这种支护方式具有十分明显的优点，具体体现在如下4个方面：①三心拱巷道高度较低，巷道掘进与支护成本相对较低，同时巷道掘进期间施工进度也较快。②三心拱巷道除了高度较低之外，其拱部曲率也较小，这两方面因素均使得液压点柱的支护能力得以高效发挥。③伴随着工作面的推进，在支架的回收方面，三心拱支架也也因其高度较低，重量较轻，尺寸较小而优势明显。④三心拱支架的支护强度远高于矩形和梯形断面对应的棚架支护方式。

2.2 巷道支护中关键部位处理技术

2.2.1 拱形支架变形破坏原因分析

对于煤巷拱形支架，保持其支护强度的关键在于棚架外侧的围煤压力，尤其拱腰部位外侧一定数量的压力是保持支架稳定性的重要因素，一旦该部位压力丧失，支架整体承载力将大幅削弱。纵观各地变形、破坏严重的煤矿工作面巷道，均具有一个十分突出的特点，即支架拱腰部位的外侧均有一个因碎煤流漏而产生的空洞，这一部位是巷道集中应力程度较高的部位，通常煤体比较破碎。力学计算结果表明，因拱腰外侧压力丧失而导致“U”型钢支架拱腰截面增大的弯矩值是原先的2.5～3倍，正是这一变化导致了支架拱腰弯折、棚腿内移、支架整体结构承载力逐渐丧失。

2.2.2 关键技术

8214巷道三心拱支架由29U型钢加工而成，梁腿间搭茬长度为550mm，搭茬处用两副U形卡缆卡紧，棚距为600mm，采用竹笆背帮拱顶，其中拱腰部位竹笆与煤壁支间加铺一层双抗布，双抗布宽度1200mm，以拱腰中点为中心沿断面展开。

2.2.3 对比检测

8214风巷支护中，特别地设置了100m没有加铺双抗布的试验段用以对比分析，每个试验段取4个监测断面，下面曲线为4个断面监测数据的平均值，两帮测点位置位于底板上200mm处，测得的数据经整理后如图2所示。图2中显示，未设置双抗布的区段经过一段时间的收敛后因拱腰部位碎煤流漏、支架承载力下降，变形速度重新上升，设置双抗布的区段，变形速度逐渐趋于稳定。显然一层简单、经济的双抗布对保持支护强度具有很大的作用，是松散煤巷支护中不可或缺的手段。

图2 设置双抗布与未设置双抗布对比分析曲线

3 结论

1）成巷近两年的实践证明，许疃煤矿8214风巷是一个非常成功的完全沿空掘巷的案例，之所以获得成功的一个重要因素在于对地质资料的详细剖析，正是这一细致工作为老塘水抽排奠定了完美的设计方案，为消除采空区瓦斯大量涌出、余煤自燃等隐患奠定了基础。

2）大胆的采用三心拱U型棚架支护设计，与该矿惯常采用的半圆拱U型棚架支护设计比较，大幅降低了巷道高度、掘进成本、支护成本和超前支护的劳动量，但支护效率、支护效果均大幅提升。

3）揭示了拱形棚架支护破坏的主要因素是拱部煤体受集中应力作用发生破碎、流漏并进而导致支架整体受力恶化的原因，并据此挖掘了小范围双抗布堵漏关键技术，保证了支护结构的承载力。

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