随着矿井的不断延伸，地质条件愈加复杂，研究复杂地质条件下的开采技术愈能有效回收煤炭资源，提高矿井经济效益。新汶矿业集团汶南煤矿在-650 m水平由于受顺层滑动影响，地质构造复杂，采煤工作面在推进中常遇落差较大的断层，严重制约着矿井的安全生产和煤炭质量的提高。针对复杂的地质条件，不断探索特殊地质条件下的开采工艺，并在沿空造巷开采工艺实践中取得较为成熟的经验。
1 问题的提出
汶南煤矿主采煤层为十一层煤，煤层倾角平均17°，厚度平均1．80 m，采煤工艺为高档普采，顶板管理为全部垮落法，支护方式为单体液压支柱配合铰接顶梁、双抗网，单体柱穿铁鞋。进入深部开采后，地质构造极为复杂，一个走向长度1 000 m，倾向长度180 m左右的工作面，在掘进过程中往往会揭露大小不等的断层30～40条，工作面上、下平巷过断层全岩长度达到几十米，甚至上百米；在采煤工作面正常推进过程中也会揭露上、下巷没有揭露的断层，由于构造断层控制程度差、无上覆煤层开采揭露资料对比，造成在工作面推进过程中有时会突然遇到落差3～10 m左右的断层。对落差小于2 m的断层，通常采用平推硬过的施工工艺；对落差在2 m以上的断层，一般采用重补巷道的方法。后者开采工艺存在的弊端：一是断层附近大量煤炭难以采出，造成大量煤炭资源丢失；二是会大幅度增加掘进工作量，并带来接续上的紧张。为了确保煤炭资源的回收，保证工作面生产连续性，汶南煤矿针对矿井深部地质构造复杂条件下的煤层特点，在生产过程中逐渐摸索出了一套在不同地质条件下的沿空造巷开采技术工艺。
2 沿空造巷概念
沿空造巷就是在一个采煤工作面内，为满足正常采煤工艺的需要，根据工作面的变化，在采煤工作面推采后，控顶区内沿采空区构造一条能满足通风、运输、行人需要的巷道。这是根据现场实际，借鉴沿空留巷原理提出的—种新的采煤施工工艺。沿空造巷与沿空留巷的本质区别在于：沿空留巷是对原来已有的工作面上巷或下巷采取措施，在采煤工作面推过后仍然保留，为下一个工作面服务，所留巷道要承受两次采动影响，为两个工作面服务；而沿空造巷则是在采煤工作面内部，利用推采后的空间沿采空区构造出来的巷道，只为本工作面局部区域开采服务，局部区域开采完毕后立即回撤报废垮落，所造巷道不需要经受次采动影响。此外，沿空留巷的目的在于减少巷道掘进量，改善采掘接替的紧张局面，同时也减少工作面与工作面之间的煤柱损失；而沿空造巷除具有减少巷道掘进量，改善采掘接替的紧张局面的特点外，还能使采煤机械方位、刮板输送机的长度适应煤层构造变化，保持工作面通风、运输、行人畅通，使被断层分隔的煤炭得以回收。
3 沿空造巷开采技术方案
3．1沿空造巷建立的理论基础
直接顶四类围岩的破碎顶板工作面支架所受上覆岩层的压力可用下面公式进行测算：
T=∑h·L·X·R·cos α
式中：T为破碎顶板作用在支架上的作用力，kN;∑h为直接顶冒落厚度，m;L为巷道平均宽度，m;X为支架间距，m；R为直接顶重力密度，kN/m3；α为煤层倾角，(°)。
由上式可以看出，工作面支架所受压力与控顶区的宽度成正比关系，宽度越大所需工作面的支护强度越高。十一层工作面的实际支护强度为362.8 kN/m3，通过理论计算，宽度最大为4.2 m，根据现场实际需要取3.6 m，即可满足通风、运输、行人需要。
关于沿空留巷的研究与实践表明，在顶板的3个活动时期中，以过渡期为留巷顶板活动最剧烈也是最危险的时期，沿空留巷顶板岩层控制设计应以该时期充填体所需的支护阻力为基础。对于沿空造巷来说，也同样服从这个规律，因为造巷是建于采空区，与留巷的不同主要是不受二次采动影响，二者在前期的受力状态、运动规律是一样的。
根据沿空造巷顶板、围岩运动特征，应用“强化围岩、整体承载、控制巷道断面、允许变形、适当让压”的沿空造巷支护设计指导思想。
3．2 沿空造巷的支护方法
沿空造巷的支护设计包括基本支护、加强支护和巷旁支护3个方面。
3．2．1 基本支护
基本支护是指工作面正常回采过程中的支护，为单体液压支柱配合铰接顶梁、双抗网支护顶板。其支护参数为：工作面单体液压支柱的合理支护强度为362.8 kN／m2，支撑能力为Rt=234．03 kN／棵，柱鞋直径为0．3 m，支护密度不小于1．55棵／m2，实际为1．79棵／m2，工作面最大控顶距选取为3．7 m，最小控顶距选取为2．9 m。
3．2．2 加强支护
加强支护是为防止贴近断层面采场围岩发生垮落或过大变形对所造巷道段顶板、岩帮进行的支护；加强支护是在采场内安设基本支架后，为提高造巷的稳定性，再进行的加固支护。加强基本支护的参数为：顶锚杆为φ20 mm的螺纹钢加工制成，角锚杆倾角为α=60°，锚杆长度l=2．4 m，锚杆间距为0．8 m，排距为0．75 m，顶锚杆配备2卷SS600型树脂药卷为锚固剂，且配备φ120铸钢托盘；帮锚杆由φ18 mm的A3钢制成，锚杆长2 m,锚杆排距与顶板一致为0.75 m，间距为0.7 m，每根锚杆配备1卷SS600型树脂药卷为锚固剂，并配备300 mm×300 mm×400 mm木托板和φ120铸钢托盘各1个。
3．2．3巷旁支护
巷旁支护是为保护所造巷道在贴近采空区侧专门设置的一种人工构筑物，设在工作面所造巷道采空区一侧。其主要作用是分担和减轻巷道内支护所承受的载荷，抵抗基本顶回转对顶板产生的强烈破坏，减少巷道顶底板的移近量，避免巷道遭受严重的变形和破坏，保证沿采空区留下的巷道有足够的断面和稳定性。
为了能降低巷旁支护成本，并有利于环境保护，通过对十一层煤采煤工作面以及附近采准巷道矸石条件的现场调查分析，本着“就地取材、环保增效”的选材指导思想，采用煤层底盘泥、煤中夹矸、伪顶冒落岩石、断层岩石作为巷旁支护材料。由于浮矸块度小，无法垒砌承载，因此，将其装入编织袋，然后再按设计宽度垒砌巷旁充填体，这样既减少了矸石的外排量，又提高了煤质，同时由于碎矸石经袋装后垒砌至一定宽度后，有足够的承载能力，能够满足造巷顶板变形的需要，另外碎矸石遇水后膨胀，因此对造巷段的矸石带进行定期洒水，使编织袋内岩石充分吸水膨胀，使挡风墙的效果更好，确保风流不会串采空区。
通过现场对3 m、4 m、5 m三种宽度袋装矸石带进行试验，表明矸石带宽度达到4 m即可满足顶板支护强度要求和满足挡风墙的要求，因此确定合理的巷旁袋装浮矸充填体宽度不小于4 m。
4 沿空造巷开采方法
4．1 斜交断层沿空造巷开采方法
当工作面遇斜交断层时，在断层靠近工作面一侧采用沿空造巷的方法将煤层沿断层面全部采出，在断层另一侧沿断层面布置开切眼，如图1所示。
图1斜交断层沿空造巷示意图
在断层靠近工作面一侧煤层中沿断层面推采，随推进随下缩工作面输送机尾，工作面输送机尾与断层面保持0．8～1 m间距，作为人行出口，工作面上端头以外平行于断层走向，支设4～5列支柱，以保证行人、运料、通风。
工作面输送机尾推至断层处，开始下缩输送机尾逐渐造巷，沿空造巷期间，为减少下缩输送机尾次数及保持所留巷道煤柱侧的平直，每次缩输送机尾2～3节，然后将下缩输送机尾后的台阶煤柱由专人进行劈帮，使煤柱不出现台阶或凸凹现象，以保证通风、运料及行人畅通。为确保所造的巷道与断层走向一致，必须挂线定向并定时校对，工作面输送机头遇斜交断层需要造巷时，应及时掐缩输送机头，延接所造斜巷输送机尾，构成新的运煤系统。沿空造巷的长短距离取决于顶板岩性、断层落差的大小及断层走向与煤层走向的夹角的大小，在所施工切眼与沿空所造巷道之间掘出1条联络巷，用于提前回撤联络巷以上所造巷道的柱梁，报废此段沿空所造巷道后，再继续沿空造巷，使行人、通风通过此联络巷到开切眼。各联络巷之间的距离还要根据沿空所造巷道的围岩稳定情况及支护状况而定，若断层落差较大，可一次性沿空造巷，直到撤面搬家为止。
4．2 走向断层沿空造巷开采方法
工作面推进过程中常遇到一些近似于走向的断层，这些断层将工作面分成大小不等的两部分，工作面无法正常通过断层。由于断层走向与工作面推采方向一致，可将工作面沿断层走向分成2个小面开采，每个小面各安设一部刮板输送机、采煤机，两部刮板输送机通过一部与断层走向平行的运输机连接，必要时在两小面之间联络巷内再安设一部刮板输送机或采用煤炭自溜进行运输，如图2所示。
图2走向断层沿空造巷示意图
在断层上方采用沿空造巷方法作出运输巷，采用前进式先采上分面，开采时随推进随延长沿空造巷内的刮板输送机，下分面停采的同时，在下分面输送机尾下方沿其走向掘进下分面回风巷。当上下分面错距在60～80 m时(根据运输设备及造巷围岩稳定情况确定)，用联络眼将上分面沿空造巷与下分面回风巷贯通，上分面停采，下分面准备开采，并将沿空造巷段支柱、溜槽、刮板链等撤除。各联络巷之间的距离还要根据沿空所造巷道的围岩稳定情况及支护状况而定，若断层落差较大，可一次性沿空造巷，直到撤面搬家为止。
5 沿空造巷开采技术有效措施
5．1 沿空造巷位置的确定
当采煤工作面靠近断层面位置时，如何选择沿空造巷的位置，对于沿空造巷支护以及过程中的维护有很大影响。
当在断层上盘开采时，沿断层面将煤全部采出，将沿空造巷段放在断层上盘，其布置如图3所示。
图3断层上盘无煤柱开采沿空造巷示意图
当在断层下盘开采时，将工作面推过断层面，进入上盘3 m(全岩爆破，将矸石部分垒砌矸石带，部分矸石人工倒入采空区)，将工作面沿空所造巷道布置在断层上盘，如图4所示。
图4断层下盘无煤柱开采沿空造巷示意图
试验观测表明，布置在断层下盘的沿空造巷比布置在断层上盘的沿空造巷要难维护，支柱所受的支承力、活柱回缩量以及充填体的压缩量都比处在上盘位置的大，支护困难。而处在上盘的沿空造巷支架、充填体所承受的顶板岩层压力小，顶底板移进量也小，支护和后期维护则比较容易。
通过比较图3、图4不难看出，当沿空造巷处在断层下盘时，下盘顶板岩层的重力完全作用在支架和充填带上，上盘部分自重应力通过断层面作用于下盘；而当沿空造巷处在断层上盘时，顶板岩层的重力只有一部分作用在支架和充填带上，另一部分由断层下盘岩石分担。也就是说这时断层下盘、支架和矸石充填带与其上部顶板岩石构成了一个简支梁结构，此时支架和充填体的受力状态明显优于处在断层下盘时的受力状态，这也是处在断层上盘的沿空造巷容易维护、而下盘处沿空造巷难以支护的原因。
因此，在开采靠近断层结构面时，应根据现场条件，尽可能将沿空造巷布置在断层上盘，以减小沿空造巷支护和维护的难度，节约费用，确保安全生产。
5．2 沿空造巷防治水措施
沿空造巷是为了将断层处煤炭进行回收，而断层往往有一些导水断层，若不采取措施，可能会导致突水事故的发生，因此工作面开采前必须对每个采煤工作面上下巷均进行电法勘探，在电法勘探异常区进行有目的的打钻疏放。对掘进、开采过程中可能遇到的较大断层提前进行钻探，若发现断层导水量大，严禁进行沿空造巷开采。另一方面，工作面承压水上开采时，要提前对承压水进行输放，使其达到安全压力以下时方可进行开采。沿空造巷开采对承压水上开采不会加大底板突水可能性，因底板突水可能性与开采工作面连续性面积的大小成正比，沿空造巷装浮矸巷旁支护的实施，减小了开采工作面连续性面积，有效地减少了开采对底板的破坏，从而有利于预防底板承压水突出。
5．3 建立健全沿空造巷开采监测制度
为确保沿空造巷开采的安全性，在生产过程中要建立监测制度，首先对造巷段建立专职瓦斯检查点，班班监控瓦斯情况；定期对造巷段的风量进行监测，发现异常及时处理，并对工作面风量及时调整，确保工作面风量；在工作面的悬顶及下隅角设专人检查有毒有害气体的浓度，从而可以监测工作面是否串风。其次要加强矿压观测，对工作面进行“三量”观测，以掌握工作面的顶板运动规律、压力大小及支护强度，确定合理的支护密度，安全高效、低耗地组织生产，验证所提出的有关支护设计方法以及支护参数的合理性，指导安全生产。
6 结束语
两年来，汶南煤矿应用沿空造巷开采技术开采出利用常规方法无法开采的煤炭30多万吨，大大提高了煤炭资源采出率，缓解了矿井接续紧张的局面，延长了矿井服务年限，取得了极好的经济效益和社会效益；在其他类似条件下的煤层开采中，具有广泛的推广应用价值。
参考文献
［1］ 肖永立，徐再刚，李文等.锚索支护在沿空留巷中的应用.煤炭工程，2004(4)：27～28
［2］ 柏建彪，周华强，侯朝炯等.沿空留巷巷旁支护技术发展.中国矿业大学学报，2004，33(2)：183～186
［3］ 翟新献，周英，梁西京．沿空留巷巷旁充填体与顶板岩层的相互作用研究．煤矿设计，1999(8)：6～8
［4］ 涂敏.沿空留巷顶板运动与巷旁支护阻力研究.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，1999，18(4)：347～351
［5］ 杨双锁．回采巷道围岩控制理论及锚固结构支护原理．北京：煤炭工业出版社，2004
作者简介 张磊鑫（1966—)，男，毕业于山东科技大学，1988年参加工作，现任汶南煤矿有限责任公司总工程师。曾负责多项集团公司及矿科研项目攻关，获4项国家专利，在各级刊物上发表论文数十篇。
