近距離煤層分層開采巷道礦壓控制研究

孔彪

摘 要：神東礦區(qū)礦井地處神府-東勝煤田，煤層埋深較淺，層間距較近，分層開采過程中極易受到上下煤層的影響，巷道圍巖變形嚴(yán)重，對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成較大影響。神東布爾臺(tái)煤礦地質(zhì)條件較為復(fù)雜，頂板巖性較差，在礦井開采初期，多次發(fā)生冒頂、巷道變形等情況。本文結(jié)合布爾臺(tái)礦回采過程中遇到的問題，對(duì)巷道支護(hù)原理進(jìn)行分析，提出礦壓控制的有效措施，在實(shí)際生產(chǎn)中起到了顯著的效果。

關(guān)鍵詞：近距離煤層；頂板；措施

1 布爾臺(tái)煤礦概況

1.1 礦井自然條件

布爾臺(tái)煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)，是神華神東煤炭集團(tuán)建設(shè)的生產(chǎn)能力、主運(yùn)輸系統(tǒng)提升能力、煤炭洗選加工能力世界第一的大型礦井，井田面積193平方公里，地質(zhì)儲(chǔ)量33億噸，可采儲(chǔ)量18.5億噸，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為2000萬噸/年，服務(wù)年限71.3年。

全區(qū)可采煤層10層，目前主采煤層為兩層，分別是22煤、42煤。22煤平均厚度3.02m，平均埋深300.1m（上覆基巖平均厚度：284m；松散層平均厚度：16.1m），直接頂平均厚度：11.27m，巖性：砂質(zhì)泥巖，采用綜采一次采全高回采工藝；42煤平均厚度5.9m，平均埋深376.7m（22煤與42煤層間距68.3m），直接頂平均厚度：14.2m，巖性：砂質(zhì)泥巖，采用綜采放頂煤回采工藝。

1.2 礦井開采過程中存在的問題

布爾臺(tái)礦一盤區(qū)兩個(gè)水平同時(shí)開采，22煤與42煤層平均間距為68.3m，屬于較近距離煤層。礦井投產(chǎn)初期由于42煤巷道與22煤巷道重疊布置，一盤區(qū)下水平42煤開采后，受疊加應(yīng)力的影響，22煤出現(xiàn)順槽頂板下沉、底板底鼓、原有支護(hù)失效、幫部鼓出、密閉損壞等現(xiàn)象，平均底鼓量達(dá)2.2m。

礦井自建礦以來先后在發(fā)生過冒頂九次，其中22煤發(fā)生過冒頂2次，42煤發(fā)生過冒頂7次，平均冒落高度達(dá)1.9米。

（1）22煤受二次采動(dòng)巷道底鼓、幫鼓嚴(yán)重，頂板下沉、產(chǎn)生切頂現(xiàn)象。（2）42煤受二次采動(dòng)巷道幫鼓、底鼓嚴(yán)重，頂板下沉，局部產(chǎn)生切頂，與采空區(qū)隔離煤柱被壓酥，裂隙漏風(fēng)嚴(yán)重，回采工作面頻繁產(chǎn)生冒頂事故。（3）42煤綜采工作面漏頂嚴(yán)重，機(jī)尾三角區(qū)經(jīng)常冒頂難于控制，機(jī)頭壓力顯現(xiàn)明顯，運(yùn)順片幫嚴(yán)重，轉(zhuǎn)載機(jī)頭產(chǎn)生切槽。（4）42煤進(jìn)入分叉區(qū)后，壓力顯現(xiàn)更加明顯，煤柱被壓酥、漏風(fēng)嚴(yán)重，頂板維護(hù)不住。

2 巷道圍巖穩(wěn)定性機(jī)理

巷道圍巖條件在時(shí)空上一般有較大的差異，但支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)往往不考慮這一實(shí)際，采用“一刀切”的辦法，一條巷道、一個(gè)采區(qū)、乃至整個(gè)礦井巷道都采用相同的支護(hù)參數(shù)。一是造成大部分巷道支護(hù)過剩，支護(hù)浪費(fèi)巨大。二是巷道冒頂高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域支護(hù)不足，冒頂事故頻發(fā)。將巷道頂板按照冒頂隱患程度劃分為不同的級(jí)別是解決該問題的有效手段。

2.1 煤層巷道頂板穩(wěn)定性分類原理

巷道頂板壓力主要由穩(wěn)定的“關(guān)鍵承壓巖梁”承擔(dān)，并通過直接頂中的“壓力傳遞拱”繼續(xù)向下傳遞給巷道兩幫的煤體直至底板。

“壓力傳遞拱”下巖石可視為錨桿支護(hù)的載荷體，“關(guān)鍵承壓巖梁”距離巷道頂板越近，巷道破壞高度越小，頂板越穩(wěn)定。

2.2 巷道圍巖變形破壞機(jī)理

巷道圍巖變形特征：（1）巷道頂板下沉（離層）大于200mm，底鼓量大；（2）兩幫相對(duì)移近大于1500mm。

工作面后方550m處巷道高度最小值為1.214m，頂?shù)紫鄬?duì)變形量高達(dá)3.086m，巷道兩幫相對(duì)變形量也達(dá)到了1.23m。巷道頂?shù)装迤茐膭×?，巷幫破壞鼓出?yán)重。

二次采動(dòng)后頂板松動(dòng)區(qū)：最淺部圍巖嚴(yán)重離層、破壞，為破裂散落體；更深部圍巖為極限平衡區(qū)，圍巖處于塑性狀態(tài)，可以自穩(wěn)；最深部圍巖處于彈性狀態(tài)，變形很小。

巷道冒頂高度是有限的，巷幫破壞深度也不會(huì)很大。

3 礦壓控制采取的措施

3.1 優(yōu)化采掘接續(xù)

加快22煤推采速度，放緩42煤推采速度，使兩層煤工作面水平、垂直距離變大，從而減小相互采動(dòng)影響?，F(xiàn)回采的22105工作面回風(fēng)順槽與42103工作面水平距離508m，垂直距離165m，22105回風(fēng)順槽局部頂板下沉、底板底鼓，平均底鼓量1.3m，通過起底治理、頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后后續(xù)頂?shù)鬃兓枯^小，使22煤受二次采動(dòng)影響的巷道得到有效控制。

3.2 確定巷道支護(hù)參數(shù)

根據(jù)不同煤層和巷道的用途，優(yōu)化確定了巷道支護(hù)參數(shù)，如圖2所示。

3.3 變更42煤回采工藝

將一次采全高大采高回采工藝改為放頂煤回采工藝。

（1）周期來壓步距明顯減小。42103采用放頂煤老頂初次來壓步距為57.4m，

42102工作面初次來壓步距為60.3m，兩者相差2.9m。周期來壓距離42103來壓

步距11.6～13.8m范圍之內(nèi)，平均12.7m，42102工作面的平均來壓步距16m，來壓步距明顯減小20.6%。

（2）支架工作阻力增大。42102-1工作面支架工作阻力為10800kN，來壓期間循環(huán)末工作阻力為10800～13400kN，支架安全閥經(jīng)調(diào)整后仍然頻繁開啟，礦壓顯現(xiàn)劇烈，多次發(fā)生冒頂；42103工作面相對(duì)42102工作面支架工作阻力明顯增大，來壓期間循環(huán)末工作阻力為12500～13621kN，經(jīng)調(diào)整安全閥后，支架工作阻力達(dá)到13062kN，支架支護(hù)狀態(tài)良好，有效控制了頂板。

（3）片幫深度明顯減小。相對(duì)大采高綜采而言，采用較低割煤高度綜放開采可以有效降低煤壁的片幫，綜放工作面采高3.7m相比一次采全高降低1.6m，工作面平均片幫深度由2.1m減小為1.2m，即放頂煤減少了片幫深度42.8%。

通過改變回采工藝，工作面頂板控制效果明顯好轉(zhuǎn)，42103綜放工作面開采以來從未發(fā)生過片幫、冒頂事故。（采高降低后導(dǎo)致的片幫有所減小，同時(shí)頂煤厚度大，使冒頂?shù)玫接行Э刂疲捎梅彭斆汉蟛煽諈^(qū)冒落效果較好，漏風(fēng)量減少，抽放過程中co濃度有效降低，由過去的140～160PPM，降到目前的40～50PPM）

3.4 改變綜采面回風(fēng)順槽（二次采動(dòng)巷道）超前支護(hù)方案，提高支護(hù)強(qiáng)度

原回風(fēng)順槽機(jī)尾超前支護(hù)距離為50m，單體排距1.2m，行距1.0m，頂板下沉、底板鼓起嚴(yán)重，為有效控制回風(fēng)順槽頂板下沉、底鼓，將22煤、42煤回風(fēng)順槽超前支護(hù)距離增加至100m，密集單體支護(hù)，22煤6排單體支護(hù)，42煤8排單體支護(hù)，超前支護(hù)范圍內(nèi)只留700mm的行人通道。有效控制了工作面回風(fēng)順槽頂板下沉，底板鼓起。

3.5 改變回采工作面采空區(qū)聯(lián)巷密閉參數(shù)，增加密閉抗壓強(qiáng)度，減少采空區(qū)漏風(fēng)

改變前采空區(qū)聯(lián)巷密閉參數(shù)：采用0.5m磚墻進(jìn)行永久封閉。改變后采空區(qū)聯(lián)巷密閉參數(shù)：1m磚墻+1m黃土充填層（頂部黃土未填實(shí)部分采用高分子材料充填）+0.5m磚墻+1.5mC20混凝土外墻，進(jìn)行永久封閉。

4.礦壓控制效果

近幾年通過優(yōu)化采掘布局，調(diào)整采掘接續(xù)，優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)，加強(qiáng)工作面回風(fēng)順槽支護(hù)，變更回采工藝等措施，現(xiàn)回采的22煤工作面、42煤工作面受二次采動(dòng)影響的巷道頂板下沉、底板底鼓，得到有效控制，保證了綜采工作面推采連續(xù)性。

通過幾年回采總結(jié)，22煤和42煤平距要保證在508米以上，上層煤二次保留巷道才能保證使用、避免上下層巷道重疊布置，減少集中煤柱對(duì)下層煤巷道的影響，造成底鼓、幫鼓、頂板下沉，22煤巷道底鼓、幫鼓頂變型較大區(qū)域?yàn)?000～4500m范圍，特別是2500～3500m范圍尤為明顯，42煤分叉區(qū)前500米至分叉區(qū)后2300米范圍內(nèi)在工作面推采200m后開始?jí)毫︼@現(xiàn)，但持續(xù)距離和時(shí)間非常長，而且巷道變形后在綜采工作面回采后進(jìn)入采空區(qū)冒落還不及時(shí)，是個(gè)緩慢下沉的過程等。

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