33423 孤島工作面端頭控制技術(shù)研究與應(yīng)用

張 磊

（西山煤電集團(tuán)公司官地礦，山西 太原 030022）

孤島工作面兩端頭共經(jīng)歷三次應(yīng)力擾動(dòng)：掘巷期間動(dòng)力擾動(dòng)、相鄰工作面回采支撐應(yīng)力擾動(dòng)、本工作面回采超前支撐應(yīng)力擾動(dòng)。特別是后兩種應(yīng)力在回采過(guò)程中會(huì)相互疊加，在工作面兩端頭形成影響范圍長(zhǎng)、強(qiáng)度大、變形大的超前支撐壓力，造成圍巖破壞嚴(yán)重，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平客汲^(guò)1m 以上，給頂板管理造成極大的安全隱患[1-2]。孤島工作面兩端頭原始支護(hù)與傳統(tǒng)超前支護(hù)手段已經(jīng)不能滿(mǎn)足支護(hù)要求，表現(xiàn)出錨索斷裂炸開(kāi)、錨桿失效、鐵梁彎曲，頂板形成局部網(wǎng)兜。本文以官地礦33423 孤島工作面為研究對(duì)象，在分析工作面兩端頭破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出切頂卸壓技術(shù)與調(diào)整超前支護(hù)控制技術(shù)，起到良好效果。

1 工作面概況

官地礦33423 綜采工作面位于北四新區(qū)西北側(cè)，是該采區(qū)最后一個(gè)工作面，東北側(cè)為3#煤北四回風(fēng)巷、33307 采空區(qū)，西北側(cè)為33421 工作面采空區(qū)，東南側(cè)為北四新區(qū)皮帶巷、回風(fēng)巷及采空區(qū)，西南側(cè)為北四左翼輔運(yùn)巷、3#煤皮帶配巷、3#煤回風(fēng)配巷，上部3.5～5.5m 為32302 等工作面采空區(qū)。該工作面煤層平均厚度3.3m，直接頂為泥巖，平均厚度1.2m，基本頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度為3.3m。采用北四新區(qū)軌道巷作為采面的副巷，該巷道服務(wù)年限已超過(guò)5 年，且受到5 個(gè)工作面末采影響，變形量極大。

2 孤島工作面兩端頭破壞機(jī)理

孤島工作面由于其兩側(cè)均為采空區(qū)，在本工作面未采動(dòng)之前其上覆巖層已形成弧形三角塊結(jié)構(gòu)[3]。這種結(jié)構(gòu)與將要開(kāi)采的實(shí)體煤及其頂板性質(zhì)都有直接關(guān)系，主要由位于實(shí)體煤側(cè)的巖體A、位于工作面和采空區(qū)交界處的三角塊B 和位于采空區(qū)的塊體C 鉸接而成。如圖1 所示，由于孤島工作面兩側(cè)都為采空區(qū)，孤島面兩側(cè)巷道的圍巖結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，巷道的應(yīng)力集中程度要大于一般工作面?？梢钥闯?，正副巷道均處于弧形三角板的巖塊B 下，受到該巖塊的回轉(zhuǎn)力矩影響，巷道邊角處極易受到剪切應(yīng)力發(fā)生變形破壞。

圖1 孤島工作面上部覆巖結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)上述分析，孤島采場(chǎng)頂板應(yīng)該符合“O-X”型破壞規(guī)則[4-5]，只不過(guò)孤島面兩側(cè)為采空區(qū)，結(jié)構(gòu)比一般面相對(duì)復(fù)雜。多層外延擴(kuò)伸板是孤島工作面采場(chǎng)上方巖體狀況，每層巖板在水平剖面上的破壞都是“O-X”形狀，自開(kāi)切眼開(kāi)始，孤島面及其兩邊采空區(qū)頂板整體上構(gòu)成動(dòng)態(tài)C 型覆巖結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 孤島工作面頂板C 型覆巖結(jié)構(gòu)模型圖

可以看出，在回采巷道，特別是工作面上下兩端頭處，上覆巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，互相牽引作用，產(chǎn)生應(yīng)力疊加效應(yīng)。同時(shí)兩端頭受上覆巖塊B 的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)影響，最終造成變形劇烈，超前支撐應(yīng)力的范圍也較一般工作面大幅延伸。

3 孤島工作面兩端頭控制技術(shù)

根據(jù)上述分析，為了減少兩端頭變形，一方面要對(duì)頂板進(jìn)行切頂，隔斷上覆巖層應(yīng)力傳遞及巖塊B 對(duì)巷道的回轉(zhuǎn)作用；另一方面要對(duì)超前支護(hù)參數(shù)重新設(shè)計(jì)，提高支護(hù)強(qiáng)度。

3.1 超前段切頂卸壓技術(shù)

（1）施工地點(diǎn)。工作面兩端頭自切眼煤壁外第一排與第二排超前支護(hù)中間開(kāi)始施工，在兩順槽端頭交替施工。

（2）炮眼布置。在距離兩巷保險(xiǎn)幫0.2m 處，在距煤幫10m 范圍內(nèi)順巷道軸線(xiàn)方向打設(shè)第一排炮眼，炮眼位于兩架超前棚梁之間，眼距為1.0m。距第一排炮眼外0.8m 處打設(shè)第二排炮眼，眼距為2.0～3.0m（視直接頂厚度和硬度進(jìn)行調(diào)整），炮孔方向與頂?shù)装宕怪本€(xiàn)夾角為15 度，偏向保險(xiǎn)幫?？拙?m，孔深為17m（穿透2#煤直接頂，打入基本頂1.5m），孔徑為Φ65mm。炮眼布置圖見(jiàn)圖3。

圖3 兩巷超前頂板預(yù)裂炮眼布置示意圖

（3）在鉆孔施工過(guò)程中，要采用坡度儀準(zhǔn)確定位炮孔角度，炮孔角度充許偏離±0.5°。在鉆孔時(shí)盡量將孔內(nèi)煤渣排除。

（4）裝藥采用礦用三級(jí)煤礦許用炸藥，煤礦許用毫秒延期電雷管引爆。深孔爆破由于炮孔較深，為了防止殘炮、拒爆現(xiàn)象，需采用阻燃防靜電凹槽被筒，每節(jié)被筒2m 長(zhǎng)。先將炸藥裝入被筒內(nèi)，再向炮孔內(nèi)填送炸藥，在每一節(jié)炸藥填入孔內(nèi)的同時(shí)，將雷管塞入凹槽被筒內(nèi)。

（5）封孔要求。炮孔封孔長(zhǎng)度不低于10m，封孔采用深孔爆破專(zhuān)用的黃土封泥袋，封泥袋直徑50mm，每節(jié)長(zhǎng)500mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，干燥黃土封泥效果比濕潤(rùn)的更好，可加入適量干水泥，按黃土與水泥5:1 比例進(jìn)行混合，提前安排工人將黃土填裝入封泥袋內(nèi)，爆破時(shí)運(yùn)至施工地點(diǎn)。

（6）聯(lián)線(xiàn)。采用串聯(lián)方式，必須一次起爆，放炮必須使用發(fā)爆器與絕緣母線(xiàn)，絕緣母線(xiàn)必須完好無(wú)破口，放炮母線(xiàn)直線(xiàn)段距離必須拉足100m，每班由專(zhuān)職爆破工使用一臺(tái)發(fā)爆器操作起爆。

（7）放炮后，要在保險(xiǎn)幫側(cè)炮眼下及時(shí)加打戴帽點(diǎn)柱，柱帽采用400mm 長(zhǎng)短π 梁，方向與巷道軸線(xiàn)平行。液壓?jiǎn)误w必須穿鐵鞋并用鋼絲繩連接好，初撐力達(dá)標(biāo)。

3.2 調(diào)整超前支護(hù)參數(shù)

（1）正巷在距工作面煤壁25m 范圍內(nèi)必須進(jìn)行超前支護(hù)，副巷在距工作面煤壁30m 范圍內(nèi)必須進(jìn)行超前支護(hù)。

（2）副巷距煤幫15m 范圍內(nèi)在超前支護(hù)下支設(shè)中間柱，構(gòu)成一梁三柱以加強(qiáng)支護(hù)，棚距為1.0m。正巷距煤幫10m 范圍內(nèi)靠轉(zhuǎn)載機(jī)邊支設(shè)中間柱。

根據(jù)孤島工作面兩端頭超前支撐壓力影響范圍及強(qiáng)度特征，調(diào)整工作面超前支護(hù)方式如圖4 所示。正副巷在距工作面煤壁100m范圍內(nèi)進(jìn)行超前支護(hù)，支護(hù)使用液壓?jiǎn)误w與π 型套棚支護(hù)，每組棚使用兩架單體棚并列支護(hù)，單體初撐力達(dá)標(biāo)并穿鐵靴，以提高支護(hù)頂板面積及強(qiáng)度。每組棚距為1.0m，單體棚采用一梁四柱，保證行人通道0.8m。

圖4 超前支護(hù)參數(shù)調(diào)整示意圖

4 控制效果

工作面回采至350m 處，兩巷變形較為劇烈，采取上述加強(qiáng)支護(hù)措施。在副巷100m、200m、300m 處分別設(shè)置3 個(gè)圍巖變形觀測(cè)點(diǎn)，每2d 使用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)對(duì)3 個(gè)測(cè)點(diǎn)巷道收斂量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析比較，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 布設(shè)測(cè)點(diǎn)在加固前后底鼓量變形曲線(xiàn)圖

從圖中可以得出：

（1）在未加強(qiáng)支護(hù)前，隨工作面的推進(jìn)，不同測(cè)點(diǎn)的底鼓量均呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)形式，最大變形量達(dá)到480mm，占頂?shù)装逡平康?5%。此時(shí)巷道變形劇烈，必須進(jìn)行整巷后方能繼續(xù)生產(chǎn)，且越靠近工作面，受采動(dòng)影響越明顯，底鼓量也越大。

（2）當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)后，隨工作面的推進(jìn)，底鼓量仍呈指數(shù)形式增長(zhǎng)，但不同測(cè)點(diǎn)的底鼓量均大幅降低，最大變形量為210mm，僅為施工前的31.8%。

（3）加強(qiáng)支護(hù)后，頂板下沉量由前20d 的160mm 降低至后20d 的49mm，減少了69%；兩幫移近量由前20d 的131mm 降低至后20d 的96mm，減少了26.7%。

5 結(jié)論

（1）基于采空區(qū)頂板“O-X”型斷裂形式，建立了孤島工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)模型，得出孤島面及其兩邊采空區(qū)頂板整體上構(gòu)成動(dòng)態(tài)C 型覆巖結(jié)構(gòu)。在回采巷道，特別是工作面上下兩端頭處，上覆巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，互相牽引作用產(chǎn)生應(yīng)力疊加效應(yīng)，兩端頭受上覆巖塊B 的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)影響，造成變形劇烈，超前支撐應(yīng)力范圍也較一般工作面大。

（2）采用超前切頂卸壓技術(shù)和調(diào)整超前支護(hù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了孤島工作面兩端頭的有效控制，效果良好。