特厚煤層孤島工作面沿空掘巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究

李海清

（大同煤礦集團有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000）

引言

安全、綠色、高效是現(xiàn)代化礦井的發(fā)展主題，小煤柱沿空掘巷是實現(xiàn)這個主題的技術(shù)途徑之一，作為回采巷道布置的其中一種方式，小煤柱沿空巷道一方面處在相鄰采空區(qū)側(cè)向支承壓力降低區(qū)范圍內(nèi)，有助于實現(xiàn)巷道圍巖控制，并且小煤柱也能夠隔離相鄰采空區(qū)的水、火、瓦斯等，保障巷道安全[1]；另一方面小煤柱巷道縮減了護巷煤柱尺寸，相當(dāng)于增加了工作面傾斜長度，提高了工作面的動用儲量。同時，小煤柱巷道與相鄰采空區(qū)之間煤柱寬度小，能夠利用相鄰工作面系統(tǒng)巷，減少本工作面巷道開拓工程量。正是這些技術(shù)優(yōu)勢讓小煤柱沿空掘巷成為煤礦回采巷道布置的首選方式，也讓科研機構(gòu)對小煤柱沿空掘巷進行了大量研究[2-5]。

杜朋，涂敏[6]采用理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，研究了特厚煤層孤島綜放工作面沿空護巷煤柱寬度及控制技術(shù)；展勤建[7]探討了厚層復(fù)合頂板下孤島工作面的小煤柱巷道圍巖控制技術(shù)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。一些學(xué)者[8-11]通過礦壓儀器監(jiān)測大量數(shù)據(jù)得出沿空巷道在采掘期間的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 工作面概況

塔山礦8204-2 工作面位于井田的東南部、二盤區(qū)的東北部，東鄰8202 采空區(qū)，西南為8204 采空區(qū)，為孤島工作面，西北部為F13810 斷層，東南部為二盤區(qū)回風(fēng)巷，蓋山厚度492～541 m，平均517 m。

8204-2 工作面為“刀把子”工作面，工作面可采走向長度1 600 m，傾向長度于采位1 178 m 處，工作面加寬63 m，傾向長146/209 m，工作面主采煤層為3—5 號煤層，傾角范圍在1°～3°，煤層厚度在11.88～22.26 m 之間，平均為15.05 m，為近水平煤層。工作面采用綜采放頂煤工藝進行回采，回采巷道為三巷布置，其中2204-2 巷是皮帶巷，5204-2 巷是回風(fēng)巷，8204-2 巷是高抽巷。工作面巷道布置示意如圖1 所示。

圖1 工作面巷道布置示意圖

2 巷道圍巖控制技術(shù)

巷道圍巖控制的技術(shù)途徑有巷道布置、巷道支護、巷道保護和巷道卸壓等多種形式。為了主動減弱支承壓力對巷道的影響，決定將2204-2 巷布置在8202 采空區(qū)邊緣，采用小煤柱沿空掘巷技術(shù)控制巷道圍巖。

2.1 小煤柱寬度的確定

采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布是確定小煤柱寬度的重要條件，而工作面端部結(jié)構(gòu)又是決定側(cè)向支承應(yīng)力分布的關(guān)鍵性因素。因此，提出“三角形滑移區(qū)”端部結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 工作面端部結(jié)構(gòu)及側(cè)向支承壓力分布

由于采空區(qū)不規(guī)則垮落帶巖石碎脹系數(shù)的改變使“三角形滑移區(qū)”向采空區(qū)側(cè)回轉(zhuǎn)下沉，其垂直載荷由采空區(qū)的力與下方煤巖體共同承擔(dān)，進而使煤柱上方的應(yīng)力變小，為沿空掘巷提供低應(yīng)力環(huán)境。

北京科技大學(xué)科研團隊在塔山礦通過微震手段監(jiān)測回采工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植?，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 微震事件揭示的側(cè)向支承壓力分布規(guī)律

微震事件監(jiān)測說明：工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植贾袘?yīng)力降低區(qū)的范圍為10 m。為了將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi)，結(jié)合礦井生產(chǎn)條件，確定煤柱寬度為8 m。

2.2 沿空巷道支護方案

2.2.1 掘進期間巷道支護

2204-2 巷斷面為矩形，凈寬度為5 300 mm，凈高度為3 500 mm，采用“錨桿+錨索+W 鋼帶+JW鋼帶+組合錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護，其中金屬網(wǎng)由8 號鉛絲制作，網(wǎng)格為100 mm×100 mm。巷道底板采用混凝土鋪底，鋪底厚度200 mm，支護斷面如圖4 所示。

圖4 2204-2 巷支護斷面圖（單位：mm）

2.2.2 回采期間超前支護

工作面超前 300 m 范圍內(nèi)支護選用DW45-250/110X 型號單體支柱、DJB800/420 型頂梁，2204-2 巷采用“三梁三柱”的支護方式，人行側(cè)支護二排，轉(zhuǎn)載機下幫支護一排，支護參數(shù)為柱距1.2 m，排距0.6 m。

工作面兩端頭出現(xiàn)頂板破碎，采取在頂板破碎處預(yù)注粘結(jié)材料加固頂板，確保工作面推進到此處時頂板完整。具體工藝為：在采煤幫距頂板1.5 m處，斜向上與頂板夾角45°用風(fēng)鉆打注漿孔，注孔深4～5 m，孔距3～5 m。

3 沿空巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

巷道圍巖位移量是衡量巷道礦壓顯現(xiàn)程度的重要指標(biāo)之一。為了全面掌握和了解特厚煤層孤島綜放工作面沿空巷道在采掘期間巷道變形發(fā)生、發(fā)展、穩(wěn)定的規(guī)律，采用“十字交叉”法對巷道表面位移進行觀測，同時進一步分析、驗證、評價小煤柱寬度留設(shè)及巷道支護的效果。

3.1 掘進期間圍巖變形規(guī)律

掘進期間巷道圍巖變形情況如圖5 所示：開挖初期巷道變形速度快，后期逐步變小，10～15 d 后位移量趨于穩(wěn)定；巷道兩幫位移量為21 mm，頂?shù)装逦灰屏繛?7 mm，兩幫位移量略大于頂?shù)装逦灰屏俊?/p>

掘進期間采用的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護對策可以控制巷道圍巖變形，其支護參數(shù)和支護要求也能夠滿足沿空巷道圍巖控制要求。

圖5 掘進期間巷道圍巖變形曲線

3.2 回采期間圍巖變形規(guī)律

回采期間巷道圍巖位移量如下頁圖6 所示。

現(xiàn)場巷道位移量觀測結(jié)果表明：受采動影響，兩幫位移量為329 mm，頂?shù)装逦灰屏繛?88 mm。總體來看，頂?shù)装逦灰屏看笥趦蓭臀灰屏俊?/p>

工作面推進期間，受到超前支承壓力以及斷層構(gòu)造雙重作用影響，超前工作面80 m 范圍巷道發(fā)生明顯底鼓，造成皮帶輸送機傾斜，工作面推進速度緩慢，嚴(yán)重影響工作面安全高效生產(chǎn)。為了解決底鼓，礦方?jīng)Q定在巷道底板施工卸壓槽釋放圍巖集中壓力，卸壓槽參數(shù)為500 mm（寬）×500 mm（深）。

實施卸壓槽后，部分區(qū)域卸壓槽發(fā)生閉合，一定程度上緩解了2204-2 巷的底鼓，卸壓效果明顯，如圖7 所示。

圖6 回采期間巷道圍巖變形曲線

4 結(jié)論

1）2204-2 巷采用小煤柱沿空掘巷技術(shù)，“三角形滑移區(qū)”端部結(jié)構(gòu)和微震監(jiān)測得出采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力降低區(qū)范圍并確定小煤柱寬度為8 m。

2）2204-2 巷掘進期間采用“錨桿+錨索+W 鋼帶+JW 鋼帶+組合錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護對策，回采期間又采取卸壓措施，支護形式和參數(shù)能夠控制巷道圍巖變形。

3）巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律為：掘進期間，兩幫位移量為21 mm，頂?shù)装逦灰屏繛?7 mm；回采期間，巷道兩幫圍巖量為329 mm，頂?shù)装逦灰屏繛?88 mm；回采期間巷道變形大于掘進期間巷道變形，但圍巖變形量均在可控范圍之內(nèi)。

圖7 底板卸壓槽實施效果圖