綜放工作面鄰空巷道圍巖變形控制方法研究

韓鴻燕

（大同煤礦集團(tuán)煤峪口礦， 山西 大同 037003）

大同煤礦集團(tuán)大多數(shù)礦井根據(jù)煤層中可采煤炭分布情況、工作面采用跳采方式，新的綜采工作面可能會(huì)布置在已采工作面附近、工作面輔助巷道除受到自身工作面的超前支承壓力，還會(huì)受到已采工作面采空區(qū)懸梁的殘余支承應(yīng)力，形成鄰空巷。鄰空巷受到兩種復(fù)合壓力影響下，易出現(xiàn)頂板下沉、底板底鼓、幫鼓、支護(hù)失效等問(wèn)題。

單一的支護(hù)方案或卸壓方案對(duì)該類狀況處置效果并不理想，需要采取多種方法對(duì)鄰空巷受到鄰采區(qū)殘余支承應(yīng)力和工作面自身支承應(yīng)力都進(jìn)行控制。本文提出通過(guò)主動(dòng)卸壓與被動(dòng)卸壓綜合控制方案和多種手段全方位避免鄰空巷下沉、底鼓、幫鼓現(xiàn)象。

1 工作面概況

1.1 8111 工作面概況

8111 工作面井下埋深433～496 m，煤層呈近水平發(fā)育，煤層傾角2°～4°，平均2.5°，煤層厚度5.3～8.1 m，平均厚度6.8 m，工作面面長(zhǎng)239.4 m，走向長(zhǎng)度2 466/2 481 m。8111 工作面與已采8101 工作面的采空區(qū)相鄰，8111 工作面自切巷至531 m 位置為實(shí)煤區(qū)，531 m 至停采線段會(huì)與8101 工作面采空區(qū)相鄰，其間煤柱寬度約30 m。8111 工作面順槽5111巷由于和8101 工作面采空區(qū)相鄰，受到8101 工作面采空區(qū)懸梁的殘余承載力和自身上覆巖層壓力復(fù)合影響，井巷出現(xiàn)頂板下沉、底鼓、兩幫變形、頂板鋼帶變形、單體支柱受損等，部分巷道斷面出現(xiàn)嚴(yán)重變形，影響到了人員通行和物料運(yùn)輸，以及對(duì)工作面局部通風(fēng)都造成不同程度的影響，極大干擾了正常生產(chǎn)秩序。工作面示意圖如圖1 所示。

圖1 8111 工作面示意

1.2 鄰空巷道圍巖變形特征

在5111 巷道超前50 m 范圍根據(jù)“十字檢測(cè)法”方式布置10 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控5111 巷道內(nèi)部頂?shù)装逡苿?dòng)量和兩幫移動(dòng)量。由于距離工作面開(kāi)切眼位置531 m 處為8101 工作面采空區(qū)，531 m 以外的5111 巷為鄰空段，以50 m 的間距對(duì)臨近鄰空段進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和采集，即工作面回采推進(jìn)至350 m、400 m、450 m、500 m 的頂?shù)装?、兩幫位移量，匯集成巷道表面位移檢測(cè)曲線圖，見(jiàn)下頁(yè)圖2 所示。

位移曲線圖表明：350 m 處巷道最大頂?shù)装逦灰屏繛?.81 m，兩幫位移位移量0.45 m，圍巖在25～30 m 開(kāi)始出現(xiàn)明顯壓力變形，詳細(xì)見(jiàn)圖2-1；400 m和450 m 時(shí)頂?shù)装逦灰屏亢蛢蓭臀灰屏恐鸩皆龃?，詳?xì)見(jiàn)圖2-2 和圖2-3；當(dāng)工作面推進(jìn)至開(kāi)切眼500 m 并接近8101 采空區(qū)位置，兩個(gè)工作面礦壓相互“疊加”，頂?shù)装逦灰屏亢蛢蓭妥冃瘟慷汲霈F(xiàn)最大變形量，頂?shù)装遄畲笪灰屏窟_(dá)到1.5 m，而巷道兩幫最大位移量達(dá)到0.8 m。隨著接近鄰空區(qū)，工作面圍巖變形的超前距離也不斷增加，頂?shù)装遄?50 m 到500 m，圍巖出現(xiàn)變形的超前距離從30 m 逐漸增到50 m，兩幫圍巖變形的超前影響范圍除350 m 和400 m 都為30 m 外，450 m 時(shí)增加到了35 m，500 m時(shí)增加到了50 m。

圖2 5111 巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

2 鄰空巷道圍巖變形控制研究

2.1 主動(dòng)卸壓方案

2.1.1 頂板水力致裂

綜合考慮5111 巷附近采區(qū)開(kāi)采狀況以及8111工作面煤層及上覆巖層特點(diǎn)，確定水力致裂方案如下：自5111 巷沿8101 采空區(qū)方向施單排水力致裂鉆孔，鉆孔垂直煤柱側(cè)巷幫，鉆孔距底板2m 位置斜向采空區(qū)呈26°仰角，鉆孔深度26 m，鉆間隔20 m，具體見(jiàn)圖3 所示。

對(duì)5111 巷致裂鉆孔的監(jiān)測(cè)，致裂壓力最大為37.5 MPa，裂縫擴(kuò)展壓力為27.5～35 MPa，表明水力卸壓過(guò)程壓力平緩，水力致裂鉆孔水流通過(guò)臨近鉆孔流出，說(shuō)明水力裂縫擴(kuò)展至鄰近鉆孔，可判斷鉆孔間距選擇合理，并且卸壓后頂板巖層完整，水力致裂起到了弱化、分割頂板巖層的作用。

圖3 5111 巷道頂板水力致裂示意圖

2.1.2 煤體大直徑卸壓鉆孔

沿5111 巷兩幫水平方向施孔徑108 mm 的大直徑卸壓鉆孔，鉆孔呈三花布置，鉆孔應(yīng)距離底板1.0～1.5 m 位置布置，孔間隔1 m，孔深10 m。卸壓孔應(yīng)超前布置，應(yīng)與工作面保持150 m 的超前距，鉆孔剖面如圖4 所示。

圖4 5111 巷兩幫鉆孔剖面布置圖

2.1.3 CO2底板致裂

CO2由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)臨界點(diǎn)為31℃和7.35 MPa，溫度高于臨界值CO2開(kāi)始吸收熱量并迅速釋放壓力，產(chǎn)生爆破沖擊效果。CO2致裂器通過(guò)發(fā)爆器使發(fā)熱裝置迅速產(chǎn)熱觸發(fā)內(nèi)部液態(tài)CO2氣化釋放壓力，爆破沖擊會(huì)導(dǎo)致爆孔周?chē)簬r碎裂，并產(chǎn)生裂隙向四周擴(kuò)散，其中CO2會(huì)造成氣楔效果使裂隙進(jìn)一步發(fā)育最終形成裂隙區(qū)。5111 巷卸壓鉆孔布置方法：卸壓鉆孔應(yīng)布置在距離巷道煤柱幫2 m 處的底板位置，朝工作面仰角30°施傾斜鉆孔，鉆孔直徑65 mm，斜深5.8 m，垂深5 m，間隔5.0 m。

2.2 被動(dòng)卸壓方案

超前支護(hù)通過(guò)加強(qiáng)巷道支護(hù)能力維護(hù)巷道穩(wěn)定性，通常巷道支護(hù)為“三梁三柱”的單體柱，增加木垛加強(qiáng)巷道支護(hù)，支護(hù)方式改為“五梁五柱”，柱距0.8 m，人行通道處將排距調(diào)整為1.5 m，即0.8 m、0.8 m、0.8 m、1.5 m、0.8 m 和0.4 m，同時(shí)增加超前支護(hù)距離，由50 m 改為90 m。巷道設(shè)置兩排木垛，其中規(guī)格為2 000 mm×2 000 mm 木垛支護(hù)距離240 m，規(guī)格為1 400 mm×1 400 mm 木垛支護(hù)距離90 m，垛與木垛中心距為6 m，如圖5 所示。

圖5 5111 巷超前支護(hù)形式（mm）

8111 工作面及5111 鄰空巷進(jìn)行主動(dòng)卸壓與被動(dòng)卸壓聯(lián)合圍巖控制方案中，頂板水力致裂鉆孔施工96 個(gè)，大直徑煤體卸壓鉆孔3 902 個(gè)，CO2致裂鉆孔64 個(gè)。

3 應(yīng)用效果

1）周期來(lái)壓步距。主動(dòng)卸壓與被動(dòng)卸壓進(jìn)行聯(lián)合控制方式后8111 工作面周期來(lái)壓步距減少。進(jìn)行聯(lián)合圍巖控制前，8111 工作面周期來(lái)壓步距為30 m，中部先行來(lái)壓，頭尾再次來(lái)壓，其中受鄰空區(qū)影響，尾部來(lái)壓時(shí)間長(zhǎng)，支架工作阻力大，且經(jīng)常觸發(fā)安全閥。

2）工作面支架工作阻力。主動(dòng)卸壓與被動(dòng)卸壓聯(lián)合圍巖控制后，能有效降低8111 工作面內(nèi)的液壓支架工作阻力，其中：8111 工作面內(nèi)承受8 000～9 000 kN 工作阻力液壓支架的比例由總量的55%降低到了45.24%，同時(shí)7 000～8 000 kN 工作阻力的液壓支架占比下降了4.64%。

3）巷道頂?shù)装逡七M(jìn)量與兩幫移進(jìn)量分析。通過(guò)在5111 巷道設(shè)置的10 處監(jiān)測(cè)點(diǎn)表明，5111 鄰空巷在主動(dòng)卸壓與被動(dòng)卸壓聯(lián)合圍巖控制后，巷道頂板頂?shù)装逡七M(jìn)量減少42%，兩幫移進(jìn)量減少40%，同時(shí)巷道變形區(qū)域由超前30 m 變?yōu)槌?0 m。

4 結(jié)語(yǔ)

工作面和巷道圍巖狀態(tài)得到良好的控制，減少巷道變形，確保了工作面及巷道的正常作業(yè)秩序。同時(shí)8111 工作面產(chǎn)量得到很好提高，月平均推進(jìn)度145 m，平均產(chǎn)量31 萬(wàn)t/月，相對(duì)同采區(qū)內(nèi)的8103工作面推進(jìn)效率提高了31%，產(chǎn)量提高了35%。該項(xiàng)目不僅有效避免井下工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，改善井下安全作業(yè)環(huán)境，同時(shí)起到良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。