塔山煤礦孤島工作面沿空二次掘巷技術(shù)應(yīng)用

王 寧

（山西同煤大唐塔山煤礦有限公司，山西 大同 037006）

孤島工作面是指位于采空區(qū)之間形狀不規(guī)則的待采工作面，其臨近采空區(qū)區(qū)域煤柱應(yīng)力集中，復(fù)雜的應(yīng)力條件不僅給煤炭開采帶來困難，在工作面初期的巷道掘進過程中，巷道穩(wěn)定性也受到嚴峻考驗。如何保證高應(yīng)力條件下孤島工作面沿空掘巷的巷道穩(wěn)定性，對于提高煤炭采掘安全，提高資源回收率具有重要的應(yīng)用意義和推廣價值。本文以塔山煤礦孤島工作面5204-2巷道為研究對象，對孤島工作面沿空掘巷巷道的破壞機理及掘進方式展開研究。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)概況

塔山煤礦8204-2孤島工作面位于井田東南部、二盤區(qū)東北部，東鄰8202采空區(qū)，西南為8204采空區(qū)，西北部為F13810斷層，東南部為二盤區(qū)回風巷。8204-2工作面為“刀把”工作面，工作面可采走向長度1600m，傾向長度于采位1178m處工作面加寬63m，傾向長146～209m。3～5#煤層平均可采厚度12.56m，中夾2～9層夾矸，平均2.65m，單層厚度在0.15～6.81m間變化。5204-2巷為回風兼作材料、設(shè)備巷，矩形斷面，變煤柱段采用錨桿+錨索+JW鋼帶+組合錨索+金屬網(wǎng)支護，巷道長度1516.2m。巷道頂?shù)装鍘r性特征見表1。

1.2 存在的問題

塔山煤礦3～5#聯(lián)合煤層二盤區(qū)5204-2巷474m～894m（420m）區(qū)域為煤柱變化段，煤柱最大為63m，最小為6m。5204-2巷壓力顯現(xiàn)明顯區(qū)域，距離頂板8～10m巖層存在破碎區(qū)域，在此區(qū)域鉆孔打錨索時，裝藥卷困難。該區(qū)域裝藥卷需反復(fù)透孔、送藥卷，耗時耗力。后期在里程664～670m的頂板采取超前預(yù)注粘接材料施工，頂板施工錨索上藥卷相對容易，由于煤層破碎，注粘接材料達不到預(yù)期效果，且由于注粘接材料后頂板局部密實，頂板壓力無法有效釋放，當壓力集中到一定程度時，頂板產(chǎn)生異響，存在安全隱患，于是取消了預(yù)注粘接材料的施工措施。嘗試注水泥漿加固頂板，嘗試多次后，水泥漿不易注入，后停注。5204-2巷工作面壓力顯現(xiàn)明顯，頻繁產(chǎn)生異響，片幫嚴重。5204-2巷施工緩慢，極大地影響了生產(chǎn)效率。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

2 孤島工作面沿空掘巷巷道穩(wěn)定性分析

8204-2工作面兩側(cè)為均已采空的孤島煤柱，其應(yīng)力分布隨回采引起的支承壓力影響距離及工作面長度而變化。5204-2巷一側(cè)為8202采空區(qū)，中間間隔厚度變化的實體煤柱，另一側(cè)為待開采的8204-2工作面。8204-2工作面實體煤區(qū)域基本頂為固支條件，為關(guān)鍵塊A；工作面兩端與采空區(qū)接觸區(qū)域呈現(xiàn)弧形破斷形態(tài)，在力學結(jié)構(gòu)上為弧形三角塊體B；在采空區(qū)上覆塊體形成破斷塊體C。塊體A、塊體B及塊體C通過三角鉸接結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)在一起，如圖1所示。孤島工作面沿空掘巷的巷道穩(wěn)定性取決于上覆基本頂?shù)姆€(wěn)定程度。

圖1 孤島工作面沿空掘巷示意圖

孤島工作面沿空掘巷與普通工作面沿空掘巷最大的區(qū)別在于應(yīng)力增高系數(shù)的不同。普通工作面一側(cè)為采空區(qū)，煤柱邊緣應(yīng)力增高系數(shù)為3，應(yīng)力分布范圍為80m左右；孤島工作面兩側(cè)均為采空區(qū)，工作面的寬度在6～63m區(qū)間變化時，應(yīng)力分布狀態(tài)為鐘形分布，煤柱邊緣的應(yīng)力增高系數(shù)高達7以上。但二者的力學模型基本一致。由于對沿空掘巷穩(wěn)定性影響最大的關(guān)鍵層主要是基本頂，為研究沿空掘巷巷道穩(wěn)定性，將孤島工作面沿空掘巷的受力結(jié)構(gòu)化簡為平面梁力學結(jié)構(gòu)，孤島工作面沿空掘巷上方的頂板可以簡化為平面梁結(jié)構(gòu)。孤島工作面沿空掘巷巷道力學模型如圖2所示[1]。

圖2 孤島工作面沿空掘巷失穩(wěn)力學模型

考慮8204-2工作面回采期間孤島工作面沿空掘巷巷道主要變形是由于上覆巖層的回轉(zhuǎn)失穩(wěn)引起，回轉(zhuǎn)失穩(wěn)程度由基本頂巖層的斷裂強度、基本頂梁的長度和寬度、兩側(cè)采空區(qū)的壓實率決定。根據(jù)圖2假設(shè)沿空巷道頂板下沉值與塊體B回轉(zhuǎn)下沉值等量，即可推理得到孤島工作面沿空巷道下沉值與塊體B回轉(zhuǎn)角度關(guān)系，見式（1）：

式中：

w-巷道頂板中心最大下沉值，m；

s-頂板斷裂位置距離煤幫距離，m；

b-巷道寬度，m；

α-塊體B的回轉(zhuǎn)角度，°；

γ-巷道上覆巖層容重，kN/m3；

H-巷道埋深，m；

Kc-彈性地基梁系數(shù)。

由式（1）可知，隨著頂板支護強度的增加，巷道頂板中心最大下沉值不斷減小。所以提高孤島工作面沿空掘巷巷道的穩(wěn)定性應(yīng)該從增加支護強度和控制頂板巖層損傷范圍兩方面考慮，以保證巷道采掘期間的穩(wěn)定性。

3 沿空二次掘巷支護方案

針對5204-2巷壓力顯現(xiàn)遇到的各種影響問題，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研及現(xiàn)場試驗，提出改變巷道掘進方式，采取沿空二次掘巷的掘進方式[2-3]，即5204-2順槽巷設(shè)計寬5.5m，先在采煤幫截割3.8m，后擴刷至5.5m。原設(shè)計一次截割成巷頂板來壓明顯，兩幫片幫嚴重，截割及支護時產(chǎn)生頻繁異響，掘進機截割時間及支護時間較長，支護可靠性較低。采取沿空二次掘巷的掘進方式（如圖3所示）需2次截割，工序較繁瑣，但兩次截割成巷相對一次截割成巷頂板巖層穩(wěn)定性明顯改善，礦壓現(xiàn)象減緩，異響次數(shù)減少60%?，F(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，沿空二次掘巷的掘進方式巷道截割時間和支護時間較一次性全斷面成巷時間明顯減少，支護強度高。

圖3 5204-2巷道變煤柱段掘進支護平面圖

4 巷道控制效果對比分析

（1）由于采取沿空二次掘巷方案，一部分巷道截割成型后，再截割剩余部分巷道，巷道上方頂板的應(yīng)力釋放緩慢，有助于應(yīng)力增高系數(shù)的緩慢降低，提高圍巖的穩(wěn)定性，礦壓顯現(xiàn)有所延緩，巷道片幫得到有效控制。

（2）一次性截割成巷時，11.3m錨索在8.6～9.1m處存在碎煤區(qū)域，上藥卷困難，平均每一根11.3m錨索的打設(shè)時間為1h左右。采取沿空二次掘巷方案后，4.3m、6.3m錨索一次支護到位，巷道頂板8.6～9.1m區(qū)域較完整，平均每一根11.3m錨索的打設(shè)時間為0.5h左右，支護時間縮短50%，大大提高了支護效率。

（3）原支護方案和小斷面掘進支護方案對比，支護量并沒有因支護方案的變化有所增加。

5 結(jié)論

為解決孤島工作面煤柱變化段沿空掘巷巷道穩(wěn)定性低的問題，通過現(xiàn)場調(diào)研、理論分析計算，進行了孤島工作面沿空二次掘巷技術(shù)的應(yīng)用研究。研究發(fā)現(xiàn)，孤島工作面沿空二次掘巷技術(shù)能有效地延緩頂板來壓，提高支護的有效性，有效保證巷道的成型，同時提高工人工作時的安全系數(shù)，是煤礦安全、有效生產(chǎn)的一項重要措施，實踐過程對同類型礦井類似巷道的掘進具有積極的推廣和借鑒意義。