沿空留巷支護條件下的采空區處理措施

何興巧，鄧月華

(1.四川省煤炭產業集團有限責任公司，四川 成都 610091；2.宜賓學院資源與環境工程學院，四川 宜賓 644000)

0 引言

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

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。采用沿空留巷技術，可以減少巷道掘進量，實現工作面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濟性

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

經濟性：根據煤礦的具體地質條件選取的沿空留巷方案不僅技術可行及安全可靠，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，還應降低實施過程中的經濟成本。

1.2 沿空留巷支護的安全性和系統性

安全性：沿采空區巷道礦山壓力顯現明顯，采空區瓦斯運移富集規律復雜，須嚴格按照《煤礦安全規程》和其它相關技術文件要求，加強圍巖變形量及瓦斯含量的監測，保證施工作業安全，避免造成人員傷亡。

系統性：實施沿空留巷是一個系統工程，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，實施沿空護巷技術時，應綜合考慮各階段具體的施工設計方案，明確各階段支護重點及作用，明確各階段之間的聯系。

2 采空區巷旁支護規律

煤礦井下在應用沿空留巷技術時，根據各煤層沿空留巷的適應性等級，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裂爆破成巷等技術進行巷旁頂板控制。采空區巷旁支護過程應遵循以下規律。

及時構筑采空區巷旁支護結構，有效控制采空區巷旁頂板及留設巷道內頂板的變形：工作面端部支護應包括巷旁支護作業空間的頂板控制，待工作面回采以后及時進行采空區巷旁支護的施工，保證采空區巷旁支護結構及時控制直接頂的離層，及時切斷采空區直接頂板，使垮落矸石在采空區內充填支撐老頂，減少其上覆巖層的彎曲下沉，同時減少留設巷內支護結構所承受的載荷，保持保留巷道圍巖結構穩定。

及時封閉工作面采空區：工作面回采后，及時構筑巷旁充填結構，并應有封閉采空區的措施，阻止巷道新鮮風流進入采空區，防止采空區遺煤自然發火，同時避免采空區漏風，使有害氣體逸出。

遵循巷道圍巖頂板活動規律：遵循沿空留巷頂板活動規律，使采空區巷旁支護結構適應老頂的“給定變形”和“給定載荷”狀態。

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

3 沿空留巷時采空區處理方法

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

3.1 采空區的防滅火措施

液氮防滅火：為了處理采空區自然發火，應在預留巷道里鋪設一條液氮輸送管路。實施沿空留巷過程中，在巷旁支護結構體內預先埋設注氮管，平時設置法蘭盤堵死，確保必要時能及時與巷內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(根據煤層傾角、厚度等調整)，墻外露頭200 mm，墻內露頭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圖

以采空區氧化帶中O2濃度大小作為注氮強度的依據。如果采空區中O2濃度大于15%或標志性氣體超過防火安全濃度，應加大注氮量，每小時注氮量控制在600 m3，每天注氮量不小于10 000 m3。一旦巷旁支護結構體內采空區遺煤自燃，應采取由支護結構內預先埋設的充填管進行注氮。按漏風量考慮，可按下式計算

Q=60×Q1(C1-C2)/(C2-1+CN)

(1)

式中：Q—采空區滅火注氮量，m3/h；Q1—采空區漏風量，m3/min；C1—發生火災前采空區初試O2濃度；C2—采空區滅火墮化指標規定的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、注膠防滅火系統主要由其地面部分、井下部分以及管網組成。地面部分主要包括供水系統、制漿系統、懸浮劑添加設備、濾漿器、增壓泵和自動監控系統；井下部分設備主要由輸漿管道和礦用注漿機組成；管網單獨敷設。沿空留巷期間，如果因巷旁支護結構不接頂等漏風因素，致使工作面采空區發火，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，對留巷段采空區內CO等有毒有害氣體的監測尤為重要。在留巷期間，應每天定期由專職瓦檢員不少于3次檢查采空區內部的瓦斯、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 采空區的防漏風措施

采空區巷旁支護結構體防漏風措施：巷旁支護結構支護前未清理凈底板淤煤、雜物、矸石，墻體受壓時產生滑動，導致支護結構變形產生裂縫。對于泵送混凝土、高水材料等墻體，易出現這種問題。在新、舊支護結構搭接處，支護體結合不緊密，支護體間產生裂縫形成漏風。對于泵送混凝土、高水材料等墻體，易出現這種問題。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。

沿空留巷采空區防止漏風措施：采空區巷旁支護前徹底清除底板上的浮煤雜物，避免巷旁支護結構體的不均勻下沉。泵送混凝土、高水材料等作為支護結構體，在新、舊墻體之間預先設置鋼筋，減少相鄰充填體相對位移，從而避免產生裂縫；對于矸石袋、砌塊等作為支護結構體，在堆砌的過程中，應該嚴格控制施工質量，減少縫隙，對于不可避免的縫隙應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構體，支護體靠巷道側都應采用錨帶網，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。在巷旁支護結構體砌筑完成后進行首次噴漿防護，在支護體受壓變形穩定后進行二次噴漿防護，并應派遣巡查人員，周期性檢查支護體，支護體出現裂縫應及時修補。

3.3 采空區的防積水措施

對于淋水較大的工作面，采空區會形成大量積水，需要及時疏導采空區積水。一般在沿空巷道靠未采煤體幫的底板留設一條排水道，在巷旁支護結構體內間隔10 m預先埋設一根排水彎管，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，設置在支護體距底板400～600mm處(根據煤層傾角、厚度等調整)。排水管的彎曲段設置在巷道側，利用管道內的積水隔絕采空區瓦斯等有害氣體，采空區側露頭100 mm。具體設置如圖2所示。

圖2 采空區排水設置示意圖

4 結語

應用沿空留巷技術后的采空區處理方法有其特殊性，在選擇方案時應遵循支護可靠、經濟、安全，同時兼顧系統性原則并及時構筑采空區巷旁支護結構，及時封閉采空區，遵循巷道圍巖頂板活動規律。在采空區防滅火方面可采取注液氮、灌漿、注膠處理自然發火，并人工檢測防滅火。