任士堯 王曉菡 王清華

（1.山東滕州曹莊煤炭有限責(zé)任公司，山東 滕州 277519；2.山東鼎安檢測技術(shù)有限公司，山東 濟南 250032；3.山東安實綠色開采技術(shù)發(fā)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(xiàn)礦井安全生產(chǎn)、減少資源浪費、延長礦井服務(wù)年限，成為曹莊煤礦后續(xù)開采的關(guān)鍵。采用沿空掘巷無煤柱開采技術(shù)，快速、安全準備出采煤工作面順槽成為關(guān)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(xiàn)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(zhì)泥巖，屬結(jié)構(gòu)較簡單的穩(wěn)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(fā)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(shù)為39.93%。

326③工作面采用沿空掘巷的方式形成系統(tǒng)，實現(xiàn)無煤柱開采。

2 沿空掘巷應(yīng)力場分析

當(dāng)工作面開采后，采空區(qū)側(cè)煤體受到頂板巖層壓力影響，當(dāng)應(yīng)力超過煤體承受極限后，采空區(qū)側(cè)煤體出現(xiàn)塑性破壞。在圍巖穩(wěn)定后，應(yīng)力場的峰值從采空區(qū)向煤體內(nèi)部延伸。開采時受到巖層應(yīng)力的影響，采空區(qū)側(cè)煤體已經(jīng)塑性破壞，因此，在采空區(qū)側(cè)煤體即內(nèi)應(yīng)力場中實施沿空掘巷時不會引起周圍巖層應(yīng)力狀態(tài)明顯變化。

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

圖1 采空區(qū)側(cè)煤體上部應(yīng)力特征示意圖

如果掘巷時留設(shè)煤柱，通過圖1可以看出，煤體會受到豎直方向的應(yīng)力影響，在應(yīng)力最大的區(qū)域內(nèi)，巷道兩幫會出現(xiàn)較大的塑性變形、兩幫移動、頂板下沉和底鼓。當(dāng)工作面開采時，采動影響與煤體上部應(yīng)力出現(xiàn)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(qū)側(cè)低應(yīng)力區(qū)的煤體掘進。在此過程中要防止破碎頂板冒落和采空區(qū)側(cè)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(chǎn)安全，防止采空區(qū)內(nèi)在掘巷側(cè)出現(xiàn)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(qū)瓦斯沒有出現(xiàn)積聚，則可以正常掘進；若采空區(qū)瓦斯經(jīng)過探測出現(xiàn)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(dāng)調(diào)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(jīng)全部開采，上部采空區(qū)會影響到頂板支護。上部采空區(qū)內(nèi)矸石較為破碎，采用錨桿+錨索+錨網(wǎng)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(wěn)定兩條腿的穩(wěn)定性，背板能夠阻止矸石下落。

圖3 巷道支護示意圖

生產(chǎn)過程中，超前20m巷道會出現(xiàn)較大的應(yīng)力區(qū)，可能會造成巷道嚴重變形，出現(xiàn)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(nèi)使用單體液壓支柱配合鉸接頂梁和金屬網(wǎng)方式。主要做法是利用單體液壓支柱替換采空區(qū)側(cè)的棚腿，然后通過頂板預(yù)留接口鋪設(shè)金屬網(wǎng)；頂棚采用2200mm金屬長梁，采空區(qū)側(cè)的棚腿用單體液壓支柱代替。支護方式為：鋪設(shè)金屬網(wǎng)后，單體液壓支柱緊靠采空區(qū)側(cè)巷道，單體與金屬網(wǎng)之間的間隙用方木擠緊，防止采空區(qū)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(cè)不用鋪設(shè)金屬網(wǎng)，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(cè)為采空區(qū)，為防止向采空區(qū)漏風(fēng)，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(qū)起火。

4 效果

在326③工作面順槽掘進時，每個巷道斷面設(shè)4個頂?shù)装逡平康挠^測點及單體活柱壓縮測量點，每50m設(shè)立一組觀測點。在前期巷道圍巖受到應(yīng)力重新分布的影響，頂板下沉較快，在穩(wěn)定之后，頂板及兩幫基本上不再產(chǎn)生變化，其中，靠近采空區(qū)側(cè)的頂板下沉最大為76mm，靠近煤壁側(cè)的頂板下沉最大為38mm。基本不會影響巷道的使用，滿足生產(chǎn)需要。