煤礦工作面沿空留巷支護技術研究

李澤鵬

（山西省陽泉市陽煤集團新景公司， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著煤礦開采成本的逐步提高，較多煤礦開始推行了無煤巷、無煤柱的開采需求[1]。同時，由于工作面中的地質環境特點復雜，外部影響因素較多，導致部分支護系統出現了不同程度的支護缺陷，給現場作業帶來了巨大的安全隱患。沿空留巷支護技術憑借著充分利用現有資源、提高工作面中煤礦開采率的優勢，在當前工作面巷道支護中得到了廣泛推廣應用，與其他支護形式相比，具有更為明顯的支護優勢，市場前景較為明顯[2]。但在實際使用中，仍存在較多問題。因此，就當前沿空留巷支護技術的特點及存在問題，進一步開展了該支護技術的提升措施研究，并進行了現場應用。

1 沿空留巷支護特點分析

沿空留巷支護示意圖如圖1 所示[3]。其支護原理為：對原有的開采邊緣區域進行支護維護，并對殘留的煤柱進行二次開采，實現煤層的回收利用，所支護的巷道可作為下一個工作面的開采巷道，可提高煤礦的零煤柱開采效率，目前已在煤礦開采支護領域得到大量的推廣應用。整套支護技術在應用時會受到外部的動壓作用，使得巷道支撐面不僅需承受來自頂板的外部壓力，也將承受外界的二次動載荷壓力，因此，設計施工時通過合理的計算來確定對巷道的支撐力。另外，由于巷道中夾渣著較多的煤礦、煤渣等物料，部分區域還聚集著較多的瓦斯濃度，因此在支護系統設計中需重點對其密封性進行設計。

2 現有支護形式分析

2.1 木垛巷旁支護

圖1 沿空留巷支護示意圖

木垛巷旁支護是國內早期的一種應用較為廣泛的支護方式，屬于巷道中晚支撐支架結構，其核心支柱均采用的是木垛材料進行支護，具有支護成本低、安裝方便可靠等特點，其立柱被拆下之后，能進行局部區域或其他領域的循環使用[4]。但由于木垛具有較高的壓縮性，加上長時間的支護及較大環境的濕度，長時間的使用，會極大影響巷道的支護安全性，加上當前更加先進的支護結構已逐漸被應用到巷道中，導致木垛巷旁支護已不能較好的適應當前環境，適應范圍呈逐漸減少趨勢。

2.2 密集支柱巷旁支護

密集支柱巷旁支護采用了松木或鋼管結構對巷道中幫襯進行支護，一般支柱的直徑均是超過15 cm以上，單根支柱的支撐力在400 kN 以上，支撐過程中安裝一定數量進行橫向、縱向的支撐，屬于巷道中剛性支撐方式，針對較硬頂板結構及高度，在一定范圍內，能起到較好的支撐效果，有效保護巷道的支撐安全。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，支柱極容易出現局部傾斜或松動現象，且針對同一界面不同高度巷道，需采用不同規格的支柱進行操作[5]。另外，針對巷道高度過高情況，若采用此支護方式，會使支柱出現彎曲而影響其結構的支撐性能。一般情況下，此支柱不能進行循環回收使用，這樣會造成一定程度的材料損失。因此，密集支柱巷旁支護常用于頂板較硬、地面較平、2 m 高度范圍內的煤層巷道支護環境中。

2.3 矸石帶巷旁支護

矸石帶巷旁支護屬于一種堆砌型支護方式，目前在國內的煤礦巷道支護中應用得較為廣泛，具有支撐效果好、原材料用料低、稱重能力強、支護性能穩定等特點，支護到一定高度后，會利用其較大的壓力性能，實現對頂板的較好支撐，能更好地適用于頂板出現的緩慢下沉現象，所適用的巷道高度一般在1.5～2 m 范圍內。但此支護方式的勞動強度相對較大，整體的支護壓縮量可達30%以上，因此，其早期支護過程中具有較低的穩定性。矸石帶巷旁支護技術的使用，實現了巷道低成本、高效率的支護。

3 沿空留巷支護存在問題

經過市場調研發現，當前的沿空留巷在支護過程中，其頂板會出現較為明顯的離層現象，特別是針對頂板結構較弱或存在較多泥巖成分時，則更容易使頂板出現網兜的現象，若局部區域出現積水時，頂板也會因水量的聚集而出現膨脹變形問題。經觀察，部分巷道中利用錨網索進行支護的情況相對較多，但隨著外部的較大壓力及積水作用，使得部分錨網索裸露在外部區域，并嵌入至頂板結構中，部分區域的離層距離達到了220 mm。同時，巷道兩幫由于受到較大的外部壓力，在長時間的支撐過程中，局部區域極容易出現較多的誘發事故點，由此引發結構的非對稱變形失效現象。另外，在巷道實際支護過程中，巷道底板會出現不同程度的鼓起現象，最大鼓起量可達1 m 以上，這不僅給巷道中的正常作業構成了重要影響，也會給井下作業安全構成威脅。

4 沿空留巷支護效果提升措施

4.1 對沿空留巷支護進行合理設計

由于不同地質條件的頂板結構會對整個巷道產生不同程度的壓縮變形現象，也會使得巷道中煤層的裂紋增加，給巷道的作業安全構成了重要威脅。因此，在沿空留巷支護設計過程中，需根據巷道的實際支撐情況，采取不同的支護方式進行設計，確定合理的沿空留巷參數，包括借助梯形的剛性結構進行巷道支護設計，并將當前成熟的錨索結構進行支護，以此加強對巷道的支撐作業。同時，可通過混凝土結構對巷道中預留的填充控制進行填充加固，保證墻體具有較強的支護性能。另外，設計時需充分開裂巷道中動壓對巷道的影響，以此來更加準確、有針對性地設計一套支護方案。

4.2 加強對巷道中瓦斯濃度的預防管理

由于沿空留巷技術主要是對當前殘余的煤柱進行開采，并加強對巷道的支護。故所作業的巷道中經常聚集著大量的瓦斯濃度，沿空留巷在設計過程中，若沒實現巷道的有效密封，外部空氣將極容易進入內部空間，引發瓦斯爆炸事故。因此，首先需對當前巷道中存在密封泄漏處進行密封加密處理，包括對縫隙處澆筑混凝土和填充物等，保證巷道內部空間具有較高的密閉性；同時，在合適位置開設排風口或加大當前排放口的通風量，有效將巷道內聚集的瓦斯排出至外部空間；另外，需加強對巷道中瓦斯濃度的監控，出現異常情況時，需及時進行瓦斯報警及異常處理。實現對巷道中瓦斯濃度的管理及控制，則能實現對巷道安全的有效預防。

5 現場應用效果評價

結合前文提出的沿空留巷支護改進措施，按照以上改進措施，進行優化后技術現場應用驗證。在測試過程中，每隔20 m 設置一個檢測站，用于對巷道頂板進行測量記錄。經測量多個測試點中，頂板的最大變形位置控制在100 mm 范圍，其他區域均未出現較大變形，實現了對巷道的穩定支護，保證了巷道斷面的完整性，可以作為下一個回采工作面的通風巷道。少掘進一條通風巷道，有效縮短了工作面的銜接周期，優化了采掘銜接。同時，無煤柱沿空留巷開采，提高了資源的回收率，能夠為企業帶來巨大的經濟收益。另外，在整個支護系統搭建過程中，人員的勞動強度大大降低，系統搭建效率也提高了將近1倍，所帶來的支護優勢較為明顯。由此，驗證了此支護技術的可行性及可靠性。

6 結語

沿空留巷支護技術主要是利用上一個工作面的巷道支護作為當前的支護，并對其進行加固支護，是一種經濟、有效的支護技術。運用該項技術，不僅能充分利用原有的巷道支護資源，也可實現對無法開采的煤柱進行徹底開采，實現企業較高的經濟效益。在沿空留巷支護過程中，有效掌握來自頂部的壓力沖擊，保證巷道具有較高的密封性及合理的排放系統，控制瓦斯濃度的聚集，利用科學、合理的方式來確定最佳的支護參數及支護方式，是實現巷道高開采率、安全作業的關鍵。