大同礦區(qū)6～9 m厚煤層綜放回采巷道 臨空動壓變形與控制技術

白雁斌

(大同煤礦集團 云岡煤礦，山西 大同 037003)

回采巷道臨空動壓顯現(xiàn)現(xiàn)象是影響采煤工作面安全生產(chǎn)的世界性難題。受臨空動壓影響，巷道壓力顯現(xiàn)強烈，頂板下沉、底鼓、幫鼓、底板裂縫現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，嚴重時致使永久支護失效，超前支護折斷[1-5]。本文以大同煤礦集團馬脊梁礦C3號層8111工作面為背景，對6～9 m厚煤層綜放回采巷道臨空動壓變形問題進行研究，結合此前馬脊梁礦C3號層8103工作面在掘進和開采過程中的臨空動壓災害治理經(jīng)驗，采用綜合治理措施解決了回采巷道臨空動壓變形難題。

1 工作面概況

馬脊梁礦C3號層 8111工作面，傾向長240 m，可采走向長2 357.5 m，煤層厚度6～9 m，是馬脊梁礦石炭系第三個生產(chǎn)工作面。該工作面地面標高1 306～1 405 m、井下標高873～909.4 m。煤層結構較復雜，含3～5層夾矸，厚0.10-2.03 m，煤層頂?shù)装迩闆r見表1。煤層平均傾角2.5°，煤種為長焰煤。5111巷往外531 m為實煤區(qū)，531 m往外至停采線為相鄰8101工作面采空區(qū)(已封閉2年)，煤柱30 m，工作面布置見圖1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 回采巷道臨空動壓顯現(xiàn)特點

C3號層 8111綜放工作面臨空巷超前支護段受本工作面采動影響，工作面的超前支承壓力較大，且影響范圍超過一般綜采工作面。與此同時受到相鄰8101工作面采空區(qū)頂板垮落不充分所帶來的集中應力影響，致使5111巷超前支護段附近的煤巖體出現(xiàn)較高應力區(qū)，頻繁出現(xiàn)強礦壓顯現(xiàn)。5111巷超前應力分布，見圖2。

圖1 8111工作面布置

圖2 8111工作面5111巷超前應力分布

3 綜合治理措施

依據(jù)8111工作面5111巷超前應力分布規(guī)律，結合馬脊梁礦8103面開采臨空巷道的頂板管理情況及借鑒兄弟礦臨空巷道管理經(jīng)驗，在5111巷頂板管理上采取了以下控制技術。

3.1 巷道掘進期間

在巷道掘進期間，考慮鄰空壓力的影響，在支護上相比非鄰空巷道進行了強化支護。具體如下：

將工作面?zhèn)鹊淖o幫支護由塑料網(wǎng)玻璃鋼錨桿(非鄰空巷道)加強為菱形金屬網(wǎng)螺紋鋼錨桿，頂板支護由(鋼帶+錨桿)+(鋼帶+錨桿+錨索)+金屬網(wǎng)支護加強為(鋼帶+錨桿)+(11號工字鋼梁+錨索)+金屬網(wǎng)支護。

3.2 開采過程中

在工作面開采過程中針對5111巷臨空壓力顯現(xiàn)又采取以下四方面的具體措施：

3.2.1 加強超前支護

從初切眼至距臨空區(qū)50 m前(2 481～2 001 m)，采用三排單體柱配1.2 m長π型梁進行支護，梁與巷道垂直。單體柱距0.8 m，排距1.5 m，單體柱采用DW45-250/100X型，支護距離為50 m。

從進入臨空區(qū)50 m前至開采結束(2 001 m-停采段)采用木垛配合單體柱的方式加強支護，單體柱的支護方式由原“三梁三柱”變?yōu)椤拔辶何逯奔次迮艈误w柱配合1.2 m長π型梁，梁與巷道垂直，單體柱采用DW45-250/100X型，柱距為0.8 m，排距從煤柱側(cè)向工作面幫側(cè)依次為0.8 m、0.8 m、0.8 m、1.5 m、0.4 m和0.8 m，其中間距1.5 m處為人行通道，支護距離加強為90 m。同時在靠煤柱幫側(cè)(靠8101工作面?zhèn)?和靠工作面幫側(cè)各支設一排木垛，其中靠煤柱幫側(cè)支設的木垛采用規(guī)格為寬×厚×長=150 mm×150 mm×2 000 mm的方木，木垛與木垛中心距為6 m，支護距離不小于240 m，靠工作面?zhèn)戎ёo的木垛采用規(guī)格為寬×厚×長=150 mm×150 mm×1 400 m的方木，木垛與木垛中心距為6 m，支護距離不小于90 m，兩排木垛呈三花交錯布置，隨工作面推進回撤并前移支設。

3.2.2 卸壓孔泄壓

從進入臨空區(qū)50 m處(1 900 m)實施了卸壓孔措施，對煤柱側(cè)煤柱進行卸壓治理，以弱化煤柱強度，減少臨空壓力對巷道底板的壓力傳遞，從而實現(xiàn)減少底鼓。具體方案為：在5111巷兩幫距底板1 m至2 m，按間排距1 m三花布置，用直徑為108 mm的鉆頭施工兩排深度為10 m的卸壓孔，見圖3。

圖3 卸壓孔布置

3.2.3 水壓致裂

在5111巷1 900 m處綜合實施了水壓致裂，利用水壓致裂對鄰空(8101面的采空區(qū))頂板進行人為斷裂，達到對5111巷鄰空巷道頂?shù)装逍秹耗康?，以降低鄰空壓力，從而實現(xiàn)減少5111巷頂板下沉、底板鼓起、巷幫回縮量。具體方案為：

垂直于煤柱側(cè)巷幫，距底板2.0 m處，以仰角26°斜向8101采空區(qū)方向施工一排水壓致裂鉆孔，鉆孔深度28.4 m，鉆孔間距20 m，施工時根據(jù)現(xiàn)場鉆機的安設及打鉆方便進行小幅調(diào)整。鉆機型號為ZYJ-400/135型架柱式鉆機。水壓致裂鉆孔直徑為50 mm。鉆孔布置見圖4。

圖4 水壓致裂鉆孔布置

3.2.4 CO2致裂

在5111巷1 300 m處進行CO2致裂切頂卸壓試驗，利用CO2由液態(tài)向氣態(tài)瞬間轉(zhuǎn)化的能量對鄰空側(cè)的頂板進行致裂，以期達到切斷鄰空頂板，減輕或消除鄰空區(qū)懸板對5111巷頂板壓力，從而實現(xiàn)治理巷道的頂板下沉、底鼓、炸幫現(xiàn)象。具體施工時，在5111巷靠近煤柱一側(cè)的巷道頂板處，布置一排CO2致裂鉆孔，在肩部錨桿和鄰近頂板錨桿之間開口。鉆孔排距1.5 m，鉆孔深度16.5 m，角度70～80°，致裂孔孔徑56 mm，觀察孔孔徑65 mm，每隔一個鉆孔CO2致裂爆破一次。每個致裂鉆孔安裝6個CO2致裂器，孔底向外的12 m為致裂段，孔口向里的4 m為保護段，采用大串聯(lián)一次起爆的方法進行致裂，每次起爆一個鉆孔。致裂鉆孔布置見圖5。

圖5 CO2致裂鉆孔布置

4 治理效果

通過采取以上綜合治理措施，2017年1月～2018年2月期間，8111工作面累計采出600多萬t優(yōu)質(zhì)動力煤，安全高效無事故，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟和社會效益。雖然在開采過程中，5111巷也有頂板下沉、底鼓、片幫現(xiàn)象，但相對8103工作面5103巷鄰空礦壓顯現(xiàn)有極大的改善。5103巷在開采期間由于底鼓頂板下沉導致巷道高度由原來的3.7 m降低至1.3 m，巷道寬度由5.4 m縮減為3.6 m?，F(xiàn)在的5111巷在工作面往外20 m范圍內(nèi)最低巷道高度為1.9 m，寬度為4.6 m，說明8111工作面5111鄰空巷變形通過綜合治理措施有明顯效果。該經(jīng)驗值得在類似條件的放頂煤工作面推廣。

5 結 語

1) 針對大同礦區(qū)石炭系6～9 m厚煤層綜放工作面回采巷道受臨空動壓影響變形問題，以馬脊梁礦石炭系C3號層8111工作面為背景，采用應力分析與現(xiàn)場觀測相結合的方法，得出臨空巷道超前應力分布規(guī)律。

2) 依照臨空巷道超前應力分規(guī)律，并結合此前馬脊梁礦C3號層8103工作面在掘進和開采過程中的臨空動壓災害治理經(jīng)驗，提出了“加強超前支護+打卸壓孔+水壓致裂+CO2致裂”的綜合控制技術并付出實踐，取得了良好效果。該研究為大同礦區(qū)石炭系6～9 m厚煤層綜放安全開采提供了理論和實踐指導，為同類型礦井提供了借鑒。