特厚煤層綜放開采孤島工作面巷道強礦壓控制技術(shù)研究

塔山礦及麻家梁礦均屬大同煤礦集團的千萬噸礦井，塔山礦8204-2工作面及麻家梁礦14203-1工作面均為雙側(cè)臨空孤島工作面，其中塔山礦8204-2工作面是塔山礦的第一個雙側(cè)臨空綜放工作面，其兩側(cè)分別為8204 工作面及8202 工作面，8204 工作面及8202 工作面分別于2015年及2012年回采完畢，該工作面所處的采掘工程環(huán)境復(fù)雜多變，掘進及回采期間將經(jīng)歷多次邊界條件變化，例如沿空掘巷階段、實體煤掘巷階段、工作面實體煤回采階段、工作面過斷層階段、工作面經(jīng)歷區(qū)段煤柱寬度連續(xù)變化階段、工作面由實體煤到臨采空區(qū)回采階段以及工作面寬度尺寸變化階段（刀把式工作面）等。其中工作面區(qū)段煤柱寬度連續(xù)變化階段對于研究煤柱寬度與巷道圍巖的穩(wěn)定性關(guān)系提供了一個極佳的平臺，通過應(yīng)力場分布特征、巷道圍巖狀態(tài)的分析，確定既能起到防沖增穩(wěn)又能有效隔離采空區(qū)的合理煤柱寬度。2018年12月，預(yù)防性地在塔山礦5204-2 巷兩幫施工大直徑卸壓鉆孔，使5204-2 巷道周邊煤體圍巖塑性破壞，減輕支護壓力。如圖1 所示。

圖1 巷道進行幫部卸壓

2019年3月，工作面回采過程中，受應(yīng)力疊加以及斷層構(gòu)造影響，2204-2運輸巷在超前工作面80 m范圍發(fā)生明顯的片幫及底鼓，運輸機傾斜，行走困難，工作面推進緩慢，影響工作面安全生產(chǎn)及工作人員的安全通行，由于2204-2巷為運輸巷，不適合大型機械作業(yè)，因此在巷道底板開挖卸壓槽，釋放圍巖應(yīng)力。如圖2所示。

圖2 巷底卸壓槽

14203-1 工作面是麻家梁礦井二采區(qū)14205 回采工作面的接替面，兩側(cè)均為采空區(qū)為孤島工作面。由于孤島工作面上覆巖層活動規(guī)律與非孤島形式下開采大不相同，導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈、巷道圍巖破壞嚴重，因此孤島工作面開采的危險程度要比非孤島工作面的大，同時孤島工作面采場的支護強度要比巷道高很多，所以孤島工作面開采研究的重點實際上是回采巷道的圍巖控制。

針對以上工程實際，同煤集團聯(lián)合河南理工大學的科研團隊，展開技術(shù)攻關(guān)，對塔山8204-2 孤島工作面以及麻家梁煤礦14203-1孤島工作面回采巷道布置開展深入的研究工作，通過相關(guān)的數(shù)學、力學理論進行分析以及數(shù)值模擬實驗對其綜合研究，系統(tǒng)研究了沿空巷道煤柱寬度與巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系、特厚煤層高強度開采沿空側(cè)覆巖結(jié)構(gòu)特征與小煤柱礦壓顯現(xiàn)的時空強關(guān)系、孤島工作面高強度開采安全控制技術(shù)，從而形成了特厚煤層孤島工作面開采小煤柱沿空掘巷成套技術(shù)，實現(xiàn)了巷道圍巖的有效控制，滿足了孤島工作面復(fù)雜條件下安全開采的需要。

本項目取得了如下創(chuàng)新性成果：

（1）通過分析孤島工作面巖層運動規(guī)律以及應(yīng)力場的運移規(guī)律，對比塔山麻家梁礦現(xiàn)場礦壓規(guī)律實測數(shù)據(jù)，對特厚煤層孤島工作面高強度開采強礦壓機理進行了研究。結(jié)果表明：特厚綜放孤島工作面在正常回采過程中，上覆煤巖層受回采擾動會漸次經(jīng)歷初次垮落及規(guī)律性破斷。孤島工作面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性處于高應(yīng)力狀態(tài)下，采動影響更加劇烈，頂板冒落突然性加大，對孤島工作面安全回采不利。麻家梁礦的地質(zhì)條件下，孤島工作面較非孤島工作面礦壓強度增加約8%。就目前麻家梁礦工作面支架及其他回采設(shè)備來講，工作面內(nèi)部礦壓完全在可控范圍內(nèi)。而孤島工作面礦壓強度增加現(xiàn)象所帶來的巷道難以維護的問題成為重點和難點。

（2）通過分析以塔山、麻家梁為背景下的工作面端部覆巖結(jié)構(gòu)、端部應(yīng)力場、煤柱及巷道力學特征及破壞機理、巷道合理位置等方面，來對孤島工作面巷道強礦壓治理方式方法進行研究。結(jié)果表明：塑性煤柱的變形可以有效緩解礦壓顯現(xiàn)強度，降低沖擊礦壓的發(fā)生可能性，使用寬度小的塑性煤柱，不僅有利于提高煤炭資源的利用率，而且能保持巷道和煤柱的穩(wěn)定性，因此留設(shè)寬度較小的塑性煤柱更加符合現(xiàn)代化安全高產(chǎn)高效開采的要求，同時也是解決孤島工作面強礦壓現(xiàn)象的根本方法。塔山礦合理煤柱寬度為5.2 m～9.07 m，合理巷道掘進時間為相鄰采空區(qū)回采結(jié)束后9 個月后；麻家梁礦合理煤柱寬度為5 m，實際留設(shè)寬度為7 m，合理巷道掘進時間為相鄰采空區(qū)回采結(jié)束后5個月后。

（3）結(jié)合塔山、麻家梁礦的現(xiàn)場運用情況，對孤島工作面回采巷道的安全防控技術(shù)措施的效果進行研究。結(jié)果表明：鉆孔卸壓、泄壓槽卸壓、卸壓巷硐卸壓以及高預(yù)應(yīng)力強力支護技術(shù)措施對控制孤島工作面小煤柱巷道的強礦壓現(xiàn)象效果明顯。

（4）通過總結(jié)之前的理論及現(xiàn)場實施情況，提出以塔山、麻家梁礦為例的特厚煤層孤島工作面開采小煤柱沿空掘巷的加強支護形式以及孤島工作面小煤柱沿空掘巷成套技術(shù)體系。主要包括：高預(yù)應(yīng)力強力支護技術(shù)、小煤柱巷道硐室填充技術(shù)、水火瓦斯安全保障技術(shù)以及小煤柱巷道的綜合監(jiān)測技術(shù)。

項目研究成果在塔山礦8204-2 工作面及麻家梁礦14203-1 工作面進行了現(xiàn)場應(yīng)用，共多回收原煤約147 萬噸，節(jié)省煤柱及支護成本價值57092 萬元，提高了煤炭回收率，降低了巷道的變形量，減少了巷道維護難度，在全斷面噴漿后有效的隔絕了巷道與一側(cè)采空區(qū)之間的氣體交流，有效避免了瓦斯超標以及自然發(fā)火等問題，從而提高工作面的安全作業(yè)水平，實現(xiàn)了煤炭資源的安全高效開采。

本項目于2020年1月通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的鑒定，獲國際領(lǐng)先水平。