曹莊煤礦沿空掘巷技術的研究與應用

任士堯 王曉菡 王清華

（1.山東滕州曹莊煤炭有限責任公司，山東 滕州 277519；2.山東鼎安檢測技術有限公司，山東 濟南 250032；3.山東安實綠色開采技術發展有限公司，山東 濟南 250032）

曹莊煤礦3下煤層處于開采末期，如何實現礦井安全生產、減少資源浪費、延長礦井服務年限，成為曹莊煤礦后續開采的關鍵。采用沿空掘巷無煤柱開采技術，快速、安全準備出采煤工作面順槽成為關鍵。

1 概況

曹莊煤礦3下煤層厚度7.0～8.24m，平均7.5m，采用分層開采，現開采3分層326③工作面。326③工作面剩余煤厚為0.9～3.56m，平均3.0m，含夾矸1～3層，厚度一般0.12～0.58m，平均0.27m，夾石為泥巖，局部為炭質泥巖，屬結構較簡單的穩定煤層。

煤層瓦斯絕對涌出量為0.59m3/min，瓦斯相對涌出量為0.67m3/t，為低瓦斯礦井，煤層發火期為123d，自燃傾向等級為II類，屬自燃煤層。煤塵具有爆炸性，爆炸指數為39.93%。

326③工作面采用沿空掘巷的方式形成系統，實現無煤柱開采。

2 沿空掘巷應力場分析

當工作面開采后，采空區側煤體受到頂板巖層壓力影響，當應力超過煤體承受極限后，采空區側煤體出現塑性破壞。在圍巖穩定后，應力場的峰值從采空區向煤體內部延伸。開采時受到巖層應力的影響，采空區側煤體已經塑性破壞，因此，在采空區側煤體即內應力場中實施沿空掘巷時不會引起周圍巖層應力狀態明顯變化。

在頂板垮落后，矸石充滿采空區，此時進行沿空掘巷會避免由于掘進引起頂板運動導致留巷產生較大的頂板下沉，引起的應力場內的應力上升較小，不會引起較大的巷道采動影響。采空區側煤體上部應力特征示意圖如圖1所示。

圖1 采空區側煤體上部應力特征示意圖

如果掘巷時留設煤柱，通過圖1可以看出，煤體會受到豎直方向的應力影響，在應力最大的區域內，巷道兩幫會出現較大的塑性變形、兩幫移動、頂板下沉和底鼓。當工作面開采時，采動影響與煤體上部應力出現疊加，巷道圍巖變形進一步加大，會加大巷道維護工作。

曹莊煤礦沿空掘巷，沿采空區側低應力區的煤體掘進。在此過程中要防止破碎頂板冒落和采空區側矸石竄入巷道。

3 沿空掘巷工藝

（1）掘進工藝。326③工作面掘進工藝為炮掘。為保證生產安全，防止采空區內在掘巷側出現瓦斯積聚，將一部分掏槽眼布置較深，進行超前探測瓦斯。若采空區瓦斯沒有出現積聚，則可以正常掘進；若采空區瓦斯經過探測出現積聚，需要采取一定措施后方可掘進。

炮掘過程中，炸藥爆炸時的能量可能會造成巷道圍巖更加破碎。將炸藥換成猛度較低的炸藥，適當調整炮眼布置，在掘出巷道后及時支護，可以有效減少頂板下沉。如圖2所示。

圖2 炮眼布置圖

（2）支護工藝。由于上部煤層已經全部開采，上部采空區會影響到頂板支護。上部采空區內矸石較為破碎，采用錨桿+錨索+錨網的支護方式不能滿足巷道支護的需求。因此，在326③工作面順槽掘進的過程中，采用架棚的方式進行支護。鋼棚采用一梁兩腿的方式布置，其中，棚腿焊接一鐵板做鞋，防止下陷，頂板的梁支撐整個頂板，巷道支護示意圖如圖3所示。棚與棚之間用撐木、背板連接，撐木能夠穩定兩條腿的穩定性，背板能夠阻止矸石下落。

圖3 巷道支護示意圖

生產過程中，超前20m巷道會出現較大的應力區，可能會造成巷道嚴重變形，出現頂板下沉、幫部垮落、底鼓等問題。為解決這些問題，在超前20m范圍內使用單體液壓支柱配合鉸接頂梁和金屬網方式。主要做法是利用單體液壓支柱替換采空區側的棚腿，然后通過頂板預留接口鋪設金屬網；頂棚采用2200mm金屬長梁，采空區側的棚腿用單體液壓支柱代替。支護方式為：鋪設金屬網后，單體液壓支柱緊靠采空區側巷道，單體與金屬網之間的間隙用方木擠緊，防止采空區的矸石竄入巷道。同時單體液壓支柱通過戴帽穿鞋防止支柱鉆地、漏頂。煤幫一側不用鋪設金屬網，不用單體液壓支柱代替棚腿。巷道布置三排單體液壓支柱，分別用12#槽鋼制作的鉸接頂梁和金屬長梁支護，增加巷道抗壓的整體性，防止巷道扭曲變形。

（3）其他工作。由于巷道一側為采空區，為防止向采空區漏風，采用高密度聚氨酯材料進行封堵，通過加強觀測，防止采空區起火。

4 效果

在326③工作面順槽掘進時，每個巷道斷面設4個頂底板移近量的觀測點及單體活柱壓縮測量點，每50m設立一組觀測點。在前期巷道圍巖受到應力重新分布的影響，頂板下沉較快，在穩定之后，頂板及兩幫基本上不再產生變化，其中，靠近采空區側的頂板下沉最大為76mm，靠近煤壁側的頂板下沉最大為38mm。基本不會影響巷道的使用，滿足生產需要。