掘進巷道過空巷支護措施及安全技術研究

趙紫東

（山西蘭花沁裕煤礦有限公司，山西 晉城 048000）

由于煤炭企業服務年限較長、開采設計方案的不盡合理等因素，井下巷道在掘進過程中不可避免地會揭露空巷[1-2]。空巷附近為垂直應力、水平應力的集中區，礦壓明顯增加，支護困難度也隨之增強，因此，掘進巷道過空巷是井下生產的技術難點[3]。

近些年，我國煤礦技術工作者對掘進巷道過空巷時覆巖活動規律研究取得了階段性的成功[4]。本文以沁裕煤礦2#煤層輔助水平車場施工過空巷為例，在對井下地質構造、水文瓦斯等條件分析的基礎上，提出了過空巷的合理的保護措施，有效解決了井下巷道施工過空巷的技術難題。

1 項目概況

沁裕煤礦隸屬于山西蘭花集團，礦井位于山西省晉城市，批準開采2～15#煤層，產能0.9 Mt/a，目前開采2#煤層，平均厚度1.4 m。

根據沁裕煤礦設計與地質實測資料，2#煤層輔助水平車場巷道掘進將穿過空巷。2 煤層頂板為深灰色、灰色砂質泥巖；基本頂為細～中粒砂巖，厚6.5～7.8 m，裂隙較為發育；底板為黑色粉砂質泥巖。在開采的過程中，由于地下水的作用，會使巖石軟化，可能產生“底鼓”。

2 揭露空巷措施

揭露空巷期間，掘進工作面每循環進行小鉆補探，在工作面中心及兩側布置3 個探眼，距底板0.5 m 呈-45°夾角向下鉆探，鉆探深度5 m。如鉆探遇空巷，為了進一步了解空巷情況，在工作面兩側與巷道呈30°夾角各布置1 個探眼，距底板0.5 m呈-45°夾角向下鉆探，鉆探深度6 m。當探眼口部位各氣體濃度：CH4＜0.8%、CO2＜1.2%，且未檢出包括CO、HS、SO2、CO2、CH4在內的有毒有害氣體方可繼續掘進。

3 過空巷支護方案

2 號煤層輔助水平車場巷道掘進過程中，在超前支承壓力的作用下，由于煤層基本頂含有大量植物碎屑，裂隙較發育，因此極易在空巷上方提前斷裂，誘發空巷冒頂和片幫。對空巷進行支護的方式主要有三種，分別為木垛支護、錨桿（索）支護和高水材料充填支護。在決定最終支護方式前，有必要對三種方案支護效果，即應力分布特征與塑性區范圍進行模擬研究。

3.1 數值模擬

以2 號煤層輔助水平車場巷道掘進，根據研究區域地質資料及相關鉆孔數據，利用FLAC3D對巷道煤層頂底板及其他主要巖層進行建模。巷道采用矩形斷面，長×寬=3000 mm×3400 mm，凈斷面面積10.2 m2，共計網格數量8750 個，如圖1。

圖1 煤巖層模擬圖

本次模擬中，圍巖結構關系設置為“摩爾－庫侖模型”，模型編寫條件設置如下：底部為垂直位移固定，四周為水平位移固定，上部施加上覆巖層自重，其他參數見表1。

表1 模型巖體力學參數設置表

本次模擬結果設置為輔助水平車場巷道距離空巷20 m 時空巷圍巖特征進行研究，分別對三種支護方案下空巷（水平、垂直）應力分布、塑性破壞區變化特征進行對比，模擬結果如圖2。可以看出，采用木垛支護時，隨著巷道的推進，空巷圍巖塑性區面積擴大，淺部圍巖受拉張破壞較大，支護效果較差；采用充填方式支護，空巷周圍巖體塑性變形為異性變化，規律性較差，塑性區的面積大于其他兩種方案；錨桿（索）支護時，塑性區范圍較小，說明該方案過空巷對圍巖控制效果較好。

圖2 三種支護方案下空巷塑性區分布情況

3.2 支護方案施工

根據模擬結果，正常掘進時采用錨網索噴支護，錨索尺寸為Ф17.8 mm×6500 mm；過空巷時縮小錨桿間排距700 mm×700 mm，錨索間排距調整為1400 mm×1400 mm。

需要注意的是，空巷在下方，按近空巷0.5 m 時，采用風鉆呈-60°打眼貫通，在工作面0.5 m2范圍內鉆眼不少于10 個，經過鉆眼排放瓦斯、二氧化碳等有害氣體后，瓦斯員在工作面內每間隔5 min測量探眼口部及工作面內有毒有害氣體濃度，當探眼內有毒有害氣體明顯下降，方可繼續作業。

3.3 巷旁支護

巷旁支護的形式主要包括密集支架法、砌體墻法、澆混凝土隔墻法等。根據沁裕礦的實際情況，本次對空巷巷旁支護選用紅磚、砂漿、泥、碎煤、矸石等材料，經與水調配比例砌墻，墻厚0.5 mm。

隨著輔助水平車場巷道的推進，于巷道0～5 m處砌筑墻體，同時砌筑寬0.7 m 的加強墩，每組加強墩中心點間距為6 m。各磚塊間縫隙用水泥砂漿錯縫砌筑，高度控制距頂板0.1 m 左右，如圖3。

圖3 紅磚砌墻俯視圖和側視圖

4 專項安全措施

4.1 過空巷、空區瓦斯排放安全措施

針對礦井通風、瓦斯排放方面，在巷道掘進過空巷時依舊采用原有局部通風機進行壓入式供風。風筒采用抗靜電阻燃材料，風筒口距巷道口不得超過5 m，對各氣體指標嚴加檢測，確保有害氣體不超限。

4.2 排水安全技術措施

在對空巷進行鉆探時，如鉆孔有水壓，要立即停止打鉆。探水小組要在隊長指揮下安設排水管路，構筑臨時水倉，按設水泵進行排水。當鉆孔不流水時，再另打加探眼，確認空巷沒水時，方可向空巷掘進。安設排水管路、水泵、構筑臨時水倉和排水時必須有專職瓦檢員經常檢查工作地點的瓦斯和二氧化碳濃度，發現問題及時上報礦調度室、項目部調度室和值班領導。

5 結束語

經研究發現，沁裕礦巷道掘進過空巷時，錨桿支護被認為是最經濟可靠的支護方式。同時，巷旁采用砌墻支護可以對空巷起到良好的支撐加固作用，確保了過空巷期間的安全生產，為類似條件巷道順利通過空巷提供了經驗。