曹庄煤矿沿空掘巷技术的研究与应用

任士尧 王晓菡 王清华

（1.山东滕州曹庄煤炭有限责任公司，山东 滕州 277519；2.山东鼎安检测技术有限公司，山东 济南 250032；3.山东安实绿色开采技术发展有限公司，山东 济南 250032）

曹庄煤矿3下煤层处于开采末期，如何实现矿井安全生产、减少资源浪费、延长矿井服务年限，成为曹庄煤矿后续开采的关键。采用沿空掘巷无煤柱开采技术，快速、安全准备出采煤工作面顺槽成为关键。

1 概况

曹庄煤矿3下煤层厚度7.0～8.24m，平均7.5m，采用分层开采，现开采3分层326③工作面。326③工作面剩余煤厚为0.9～3.56m，平均3.0m，含夹矸1～3层，厚度一般0.12～0.58m，平均0.27m，夹石为泥岩，局部为炭质泥岩，属结构较简单的稳定煤层。

煤层瓦斯绝对涌出量为0.59m3/min，瓦斯相对涌出量为0.67m3/t，为低瓦斯矿井，煤层发火期为123d，自燃倾向等级为II类，属自燃煤层。煤尘具有爆炸性，爆炸指数为39.93%。

326③工作面采用沿空掘巷的方式形成系统，实现无煤柱开采。

2 沿空掘巷应力场分析

当工作面开采后，采空区侧煤体受到顶板岩层压力影响，当应力超过煤体承受极限后，采空区侧煤体出现塑性破坏。在围岩稳定后，应力场的峰值从采空区向煤体内部延伸。开采时受到岩层应力的影响，采空区侧煤体已经塑性破坏，因此，在采空区侧煤体即内应力场中实施沿空掘巷时不会引起周围岩层应力状态明显变化。

在顶板垮落后，矸石充满采空区，此时进行沿空掘巷会避免由于掘进引起顶板运动导致留巷产生较大的顶板下沉，引起的应力场内的应力上升较小，不会引起较大的巷道采动影响。采空区侧煤体上部应力特征示意图如图1所示。

图1 采空区侧煤体上部应力特征示意图

如果掘巷时留设煤柱，通过图1可以看出，煤体会受到竖直方向的应力影响，在应力最大的区域内，巷道两帮会出现较大的塑性变形、两帮移动、顶板下沉和底鼓。当工作面开采时，采动影响与煤体上部应力出现叠加，巷道围岩变形进一步加大，会加大巷道维护工作。

曹庄煤矿沿空掘巷，沿采空区侧低应力区的煤体掘进。在此过程中要防止破碎顶板冒落和采空区侧矸石窜入巷道。

3 沿空掘巷工艺

（1）掘进工艺。326③工作面掘进工艺为炮掘。为保证生产安全，防止采空区内在掘巷侧出现瓦斯积聚，将一部分掏槽眼布置较深，进行超前探测瓦斯。若采空区瓦斯没有出现积聚，则可以正常掘进；若采空区瓦斯经过探测出现积聚，需要采取一定措施后方可掘进。

炮掘过程中，炸药爆炸时的能量可能会造成巷道围岩更加破碎。将炸药换成猛度较低的炸药，适当调整炮眼布置，在掘出巷道后及时支护，可以有效减少顶板下沉。如图2所示。

图2 炮眼布置图

（2）支护工艺。由于上部煤层已经全部开采，上部采空区会影响到顶板支护。上部采空区内矸石较为破碎，采用锚杆+锚索+锚网的支护方式不能满足巷道支护的需求。因此，在326③工作面顺槽掘进的过程中，采用架棚的方式进行支护。钢棚采用一梁两腿的方式布置，其中，棚腿焊接一铁板做鞋，防止下陷，顶板的梁支撑整个顶板，巷道支护示意图如图3所示。棚与棚之间用撑木、背板连接，撑木能够稳定两条腿的稳定性，背板能够阻止矸石下落。

图3 巷道支护示意图

生产过程中，超前20m巷道会出现较大的应力区，可能会造成巷道严重变形，出现顶板下沉、帮部垮落、底鼓等问题。为解决这些问题，在超前20m范围内使用单体液压支柱配合铰接顶梁和金属网方式。主要做法是利用单体液压支柱替换采空区侧的棚腿，然后通过顶板预留接口铺设金属网；顶棚采用2200mm金属长梁，采空区侧的棚腿用单体液压支柱代替。支护方式为：铺设金属网后，单体液压支柱紧靠采空区侧巷道，单体与金属网之间的间隙用方木挤紧，防止采空区的矸石窜入巷道。同时单体液压支柱通过戴帽穿鞋防止支柱钻地、漏顶。煤帮一侧不用铺设金属网，不用单体液压支柱代替棚腿。巷道布置三排单体液压支柱，分别用12#槽钢制作的铰接顶梁和金属长梁支护，增加巷道抗压的整体性，防止巷道扭曲变形。

（3）其他工作。由于巷道一侧为采空区，为防止向采空区漏风，采用高密度聚氨酯材料进行封堵，通过加强观测，防止采空区起火。

4 效果

在326③工作面顺槽掘进时，每个巷道断面设4个顶底板移近量的观测点及单体活柱压缩测量点，每50m设立一组观测点。在前期巷道围岩受到应力重新分布的影响，顶板下沉较快，在稳定之后，顶板及两帮基本上不再产生变化，其中，靠近采空区侧的顶板下沉最大为76mm，靠近煤壁侧的顶板下沉最大为38mm。基本不会影响巷道的使用，满足生产需要。