沿空掘巷技术应用问题研究

白瑞卓

摘要：沿空掘巷即巷道沿已回采的相邻工作面空区边缘掘进，留设小煤柱，从而将巷道布置在低应力场，有利于控制变形量和巷道维护。但由于煤体硬度较低，煤柱受采动应力影响后较为酥软，裂隙发育。沿空掘巷掘进时，沿空侧的巷帮支护收缩变形量大，移交时不得不再次翻修，大量投入劳动力不仅造成浪费，而且严重影响进度。回采期间受采動影响，巷道收缩变形加剧，需重复翻修。近年来，注浆加固技术在矿山建设中得到了广泛的使用，注浆支护手段越来越先进，各种注浆支护材料层出不穷，所取得的经济效益非常可观，支护效果越来越可靠和明显。

关键词：沿空掘巷；巷道支护；技术应用

1 概述

在上一个回采工作面区段运输平巷被废弃之后，经过一段时间，等待采空区上覆岩层移动基本稳定后，沿被废弃的巷道（或采空区）边缘，掘进下一个工作面的区段回采巷道，称为沿空掘巷。根据煤层赋存情况、地质条件和所采取的技术措施的不同，沿空掘巷可分为三种方式，即完全沿空掘巷、留小煤柱掘巷和保留老巷部分断面的沿空掘巷。沿空掘巷的优点：巷道在煤体边缘的应力降低区内掘进，巷道压力小，有利于巷道维护。煤体边缘经受过支承压力的破坏作用后，瓦斯得到自然释放，对有冲击地压和瓦斯突出的煤层可以大大减少其危险性，有利于保证巷道掘进的安全。与留煤柱护巷相比，可提高煤炭的采出率。与沿空留巷相比，可缩短巷道的维护时间，减少维护费用。由于没有留设护巷煤柱，改善了下覆煤（岩）层的地应力状态，即在下覆煤（岩）层中不再形成应力集中区，或应力集中区的范围较小，强度降低。沿空掘巷的缺点：沿空掘巷与老采空区相通或留设很窄的煤柱，会造成巷道和采空区之间的漏风，不利于巷道通风。完全沿空掘巷和保留老巷部分断面的沿空掘巷，由于巷道一侧为采空区，上区段的老空区积水和碎矸石易进入巷道内，严重影响巷道的施工和使用。由于沿空掘巷需在上区段回采完毕，等待采空区上覆岩层移动基本稳定后方可开始掘进，不利于同一区域同时布置采掘平行作业。沿空掘巷方式的选择：为了充分发挥沿空掘巷的优点，规避其缺点，根据现场的生产实践条件，设计中决定应用留设小煤柱的沿空掘巷方式。小煤柱对挡矸和防止采空区积水进入巷道能起一定作用，同时也会减少巷道的漏风；巷道在煤体内掘进，两侧为煤壁有利于提高掘进速度。

2 回采工作面巷道布置方式

巷道布置方式。煤矿回采工作面巷道布置方式有多种，按回采工作面巷道侧是否留设煤柱分类，可分有煤柱护巷和无煤柱护巷；按工作面运输巷道数量分类，可分为双（多）巷布置和单巷布置。单巷布置按回风巷布置方式可分为沿空留巷和沿空掘巷。沿空留巷方式为采用一定的技术手段将上区段的运输巷重新支护保留下来作为下区段回风巷使用。沿空掘巷与沿空留巷不同的是，上区段运输巷不再被支护保留作为下区段回风巷，下区段回风巷为沿着上区段采空区边缘进行重新布置。

巷道布置方式比较。双巷布置回采工作面巷道采用双巷掘进。巷道掘进时，掘进工作面通风及排水相对容易，安全性较高。掘进过程中，轨道巷超前运输巷，超前轨道巷沿煤层布置。在掘进过程中，可进一步摸清煤层变化情况，可为运输巷的掘进定向。在回采过程中，工作面运输巷随着回采工作的推进而报废，不需要进行特殊的维护；同时，由于双巷间煤柱的保护作用，轨道巷受回采的影响较小，维护工程量较小。工作面运输巷和轨道巷间设置联络巷，方便煤炭、材料运输以及通风和行人。该方式的主要缺点是巷道掘进时工作量较大；双巷间煤柱得不到完全回收，煤柱损失量较大；以及轨道巷维护时间较长，维护费用较高。沿空留巷布置方式，沿空留巷为单巷布置方式之一。由于该方式不需要重新布置下区段回风巷，下一区段回采工作面仅需掘进一条回采巷道即可，掘进工程量较小，所需掘进时间较短，回采工作面接替容易；同时，由于未进行煤柱留设，无煤柱损失，煤炭回收率较高。但上区段运输巷留巷期间工作面前后方以及回采期间工作面前方顶板来压较大，维护较为困难，安全性较低；且维护时间较长，维护费用较高。沿空掘巷布置方式，沿空掘巷为单巷布置方式之一，下区段回风巷紧邻上区段采空区进行掘进布置。由于该方式回风巷为重新布置，回风巷在掘巷时可根据靠近煤柱一侧的地应力场的影响范围选择留设小煤柱或不留设煤柱进行布置，避开了高应力区域，从而提高了安全性；同时，该方式只留设了少量煤柱或未留设煤柱，煤柱损失较小，煤炭回收率较高，而且工作面在回采过程中对工作面巷道不需进行额外维护，费用较低。

3 沿空掘巷的破坏机理及支护对策

巷道开挖以后改变了原岩应力状态，垂直应力向两帮转移，水平应力向顶、底板转移，形成垂直应力在两帮集中并显现，水平应力在顶、底板集中并显现的现象。沿空掘巷的关键是控制煤柱宽度，若煤柱过大，则回采巷道布置在压力增高区内，将使巷道压力大，支护困难。虽然小煤柱沿空掘巷躲开了垂直应力峰值，但随着开采深度的增加，非峰值区垂直应力仍显现比较明显，容易失稳，片帮严重。在高围压下深部岩（煤）体的脆弱塑性转化具有较强的时间效应，表现为明显的蠕变或流变。沿空掘巷小煤柱蠕变到一定程度，几乎不具备承压能力，使得顶板的简支梁转化为悬臂梁状态，更易使顶板造成断裂破坏，另一方面，也加剧了对实体侧煤柱的压力，产生更大的塑性流变，如此恶性循环，使巷道整体破坏。沿空掘巷控制两帮是关键，一是提高小煤柱的强度，二是提高对两帮煤体的约束效应，控制小煤柱的塑性流变。根据煤柱的松动圈情况设计锚索长度，锚索安装后即可张拉施加预紧力，实现主动支护，限制围岩的变形破坏。注浆锚索采用高预紧力紧固及深部封孔，打破传统“注浆必喷、先喷后注”的支护习惯，在不喷浆的情况下直接进行高压裸注，提高了浆液的扩散半径和对破碎围岩的挤压效果，通过充填裂隙形成网络骨架，挤密围岩提高围岩整体性和承载能力，有效控制了大埋深高应力作用下的塑形流变。锚索主动支护和注浆加固的共同作用，提高了锚固强度和可靠性，增强了支护体的轴向和径向约束力，避免锚索在动压作用下卸载或剪断。混凝土注浆添加剂可提高浆液流动性，降低水灰比，增加水泥量，从而提高注浆强度，同时具有微膨胀性，防止混凝土凝固后塌落产生新的裂隙而影响注浆效果。提高支护的可靠性、合理性、经济性，应在巷道设计和施工中坚持科学“避”压与合理“强”支相结合。首先，要认真优化设计方案，合理布置巷道。合理选择层位，尽可能的布置在岩性较好的稳定层位中。巷道应布置在原岩应力区或经解放层开采等应力降低区，尽量避免在煤柱上、下方布置巷道。在围岩受采动影响稳定后再掘进巷道，不能布置在本煤层和邻近煤层动压影响区域。采用无煤柱开采或小煤柱护巷，护巷煤柱尺寸应使巷道基本不受支承压力影响。当采用锚杆、锚索、锚注以及锚杆、锚索架棚联合支护时，在支护的时间和空间顺序上，不一定要一次支护到位，应实现动态耦合，对软岩随时间的非线性变化适时增加支护抗力，并在空间上应由浅及深，分步加载。采用注浆锚索加强支护，保证了良好的支护效好，有效控制了巷道变形量，保证良好的安全作业环境；降低材料消耗，减少整体投入；提高作业效率，节省巷道维护时间，加快移交进度；减轻劳动强度，减化回采工序。

参考文献：

[1] 史英男，刘海峰. “两软一硬”煤层沿空掘巷合理煤柱宽度确定[J]. 矿业安全与环保. 2016（03）

[2] 徐宇. 沿空掘巷巷道矿压观测及维护困难原因分析[J]. 煤. 2017（07）