沿空留巷對礦壓的影響及管控措施

周 茂

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司大柳塔煤礦，陜西 榆林 719315)

0 引言

沿空留巷技術(shù)能夠較好地實(shí)現(xiàn)無煤柱護(hù)巷，是煤礦開采技術(shù)的一項(xiàng)重大改革[1-5]。此項(xiàng)技術(shù)不僅是合理開發(fā)煤炭資源、提高煤炭資源采出率、防止發(fā)火的護(hù)巷技術(shù)，而且是礦山進(jìn)行采煤方法改革、實(shí)現(xiàn)前進(jìn)式和往復(fù)式開采、實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)方式、治理工作面瓦斯超限難題的最有效途徑，其技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益顯著[6-9]。

目前神東礦區(qū)神東煤炭集團(tuán)結(jié)合神府東勝煤田賦存條件以及國內(nèi)外采煤設(shè)備發(fā)展，經(jīng)過十幾年的不斷創(chuàng)新努力，在高產(chǎn)高效開采技術(shù)方面已得到了長足發(fā)展。礦區(qū)多為淺埋深煤層，受礦壓影響較小的工作面，上下工作面之間一般留設(shè)15 m的隔離煤柱，受礦壓影響較大的工作面，隔離煤柱留設(shè)普遍在20～35 m，現(xiàn)有的留煤柱開采方法回采時(shí)損失的煤柱資源煤量非常之大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年全公司煤柱資源煤量損失約1 400萬t。如果能實(shí)現(xiàn)無煤柱開采，將極大地提高公司的煤炭開采率。

2015年，神東榆家梁煤礦在43308工作面2.0 m中厚煤層柔模沿空留巷技術(shù)成功，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益及示范效應(yīng)。榆家梁煤礦現(xiàn)已完成多個(gè)工作面的沿空留巷作業(yè)，沿空留巷技術(shù)已經(jīng)成熟，但沿空留巷頂板管控困難較大。為此，總結(jié)榆家梁煤礦43203綜采工作面回采時(shí)43203回順(43203回順為沿空留巷巷道)礦壓顯現(xiàn)情況及采取的管控措施，以期向其他礦區(qū)提供借鑒。

1 工程地質(zhì)及施工工藝

1.1 43203綜采面工作面布置

榆家梁煤礦43203工作面長度為246.6 m，傾角1°～3°，容重1.30 t/m3。西側(cè)為43204綜采工作面，東側(cè)為43202綜采采空區(qū)，南側(cè)為4-3號煤層保安煤柱。在43202綜采工作面回采期間，采用柔?；炷裂乜樟粝锏姆绞綄?3202運(yùn)輸順槽保留下來作為43203綜采工作面回風(fēng)順槽。砼墻厚1.0 m，高2.3 m，巷道寬為4.5 m，長度為1 791 m，混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號為C30。

1.2 地質(zhì)條件

43203工作面地表為黃土溝壑區(qū)，地表標(biāo)高+1 218～+1 352 m，最大高差130 m，在回采過程中工作面上部有2處地表存在張明溝貫穿工作面。43203回順11硐室到9硐室為架棚區(qū)，架棚區(qū)長度為142 m；過42218回撤通道和回撤輔巷間煤柱，寬度為20 m；過42227回風(fēng)順槽和42218回撤輔巷間煤柱，寬度為35 m，集中煤柱貫穿整個(gè)工作面。與4-2號煤層間距14～18 m；地層總的趨勢是以極緩的坡度向北西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角1°～3°，斷層不發(fā)育，后生裂隙發(fā)育。煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鱐able 1 Characteristics of coal seam roof and floor

1.3 采煤方法及設(shè)備

43203綜采面采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤法采煤，全部垮落法管理頂板?；夭晒に嚵鞒虨榘踩珯z查—端部斜切進(jìn)刀落煤—割煤、裝煤—運(yùn)煤—推移刮板輸送機(jī)—移架放頂。綜采工作面成套設(shè)備主要由鄭州煤機(jī)廠生產(chǎn)的ZY10500-11-22D型液壓支架、采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、膠帶輸送機(jī)及工作面供電、供液設(shè)備等組成。43203回順巷道寬度為4.5m，超前支護(hù)采用單體進(jìn)行支護(hù)，每排3根，間排距均為1.5 m。機(jī)尾水箱前6 m，每排增加1根單體。

2 回采時(shí)砼墻側(cè)壓力顯現(xiàn)

2.1 正?；夭蓵r(shí)端頭架及過渡架礦壓觀測

43203工作面共145臺支架，其中145#、144#、143#、142#架為端頭架，141#架為過渡架。礦壓觀測時(shí)分別對118#、134#架布置2條測線，以2020年10月份觀測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)形成壓力曲面圖，如圖1所示。

圖1 118#、134#架壓力曲面Fig.1 Pressure surface diagram of support 118 and support 134

從圖1可以看出，機(jī)尾端頭架來壓步距為7～20 m，來壓時(shí)最大壓力為43.8 MPa，支架立柱下沉5～8 cm。來壓時(shí)工作面貫通機(jī)尾出現(xiàn)漏矸。通過觀察分析可知，機(jī)尾來壓步距與埋深有較大關(guān)系，埋深在94～110 m范圍內(nèi)機(jī)尾周期來壓變化不大，埋深超過110 m后來壓步距明顯縮短，且變化較大，見表2。

表2 機(jī)尾周期來壓步距與工作面埋深影響關(guān)系Table 2 Relationship between periodic weighting step of the tail and buried depth of the working face

2.2 正?；夭蓵r(shí)砼墻變化及三角區(qū)懸頂垮落情況

2.2.1 砼墻變化情況

通過在回采過程中對砼墻變化情況進(jìn)行觀測，端頭架前10 m范圍內(nèi)混凝土墻體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯破壞，墻體噴漿發(fā)生大面積片幫，10～20 m范圍內(nèi)墻體噴漿發(fā)生小面積片幫，20 m以外基本無變化，砼墻變化情況如圖2、3所示。

圖2 超前10 m范圍砼墻變化Fig.2 Change of concrete wall within 10 m ahead

圖3 超前10～20 m范圍砼墻變化Fig.3 Change of concrete wall within 10～20 m ahead

2.2.2 三角區(qū)懸頂垮落情況

在生產(chǎn)過程中機(jī)尾三角區(qū)垮落情況為滯后工作面40 m以后緩慢下沉，老頂一直不垮落，壓力傳遞，導(dǎo)致貫通機(jī)尾時(shí)漏矸嚴(yán)重，煤壁出現(xiàn)片幫，頂板出現(xiàn)下沉。為解決頂板不垮落問題，采取在巷道內(nèi)提前水預(yù)裂方式，對老頂進(jìn)行預(yù)裂[10-12]。實(shí)行水預(yù)裂后在水預(yù)裂范圍內(nèi)頂板能緊跟支架垮落，垮落效果較好，如圖4～6所示。

圖4 水預(yù)裂鉆孔平面設(shè)計(jì)Fig.4 Plane design of water pre-splitting borehole

2.2.3 機(jī)尾超前支護(hù)范圍內(nèi)巷道下沉情況

在機(jī)尾超前支護(hù)的單體范圍內(nèi)，即距工作面9～10.5 m處選1個(gè)單體，在單體油缸伸出10 cm處布設(shè)觀測點(diǎn)，每班觀測2次，并填寫記錄。在機(jī)尾水箱前每20 m布置1個(gè)測點(diǎn)，測量頂?shù)装鍍蓭鸵七M(jìn)量，共安設(shè)5個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)100 m，每班觀測2次。通過觀察，超前影響范圍機(jī)尾端頭架至水箱前10 m范圍內(nèi)，巷道有下沉現(xiàn)象，最大下沉量為15 cm。10～20 m內(nèi)巷道下沉量較小，20 m以外巷道基本無下沉。

圖5 水預(yù)裂前三角區(qū)懸頂情況Fig.5 Overhanging situation of triangular area before water presplitting

圖6 水預(yù)裂后三角區(qū)懸頂情況Fig.6 Overhanging situation of triangular area after water pre-splitting

3 礦壓變化及管控

3.1 沿空留巷對礦壓的影響

頂板壓力變化：43203綜采工作面在回采過程中通過礦壓數(shù)據(jù)分析，來壓時(shí)機(jī)尾段先來壓，且壓力較大，來壓持續(xù)4～5刀，100#架至機(jī)尾周期來壓步距為4～6 m。100#～40#架周期來壓比較分散，來壓步距在12～15 m，來壓時(shí)持續(xù)2～3刀。沿空留巷對附近頂板壓力如圖7所示。由圖7可以看出，留巷支承壓力從采空區(qū)懸頂斷裂處開始向工作面一側(cè)傳遞，更多地承受43202工作面采空區(qū)覆巖壓力，所以其支承壓力峰值偏向巷道頂部，且應(yīng)力峰值相比掘巷應(yīng)力峰值要高，曲線向工作面延伸的也遠(yuǎn)，而后恢復(fù)至原巖應(yīng)力。

圖7 留巷圍巖結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的側(cè)向支承壓力示意Fig.7 Surrounding rock structure of the entry retaining and its corresponding lateral support pressure

砼墻變化情況:現(xiàn)場觀察，超前工作面10 m內(nèi)為應(yīng)力急增區(qū)，墻體結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重，頂板下沉明顯，平均為300 mm左右。超前工作面10～20 m為應(yīng)力緩升區(qū)，頂板下沉不明顯，兩幫及頂板未發(fā)生明顯破壞。

單體下沉情況:對超前支護(hù)10 m范圍內(nèi)單體進(jìn)行觀察，在正常條件下單體下沉6～8 cm；在過架棚區(qū)單體下沉15～20 cm；過集中煤柱區(qū)單體下沉10～15 cm。埋深對沿空留巷礦壓影響較大，埋深在100 m以下時(shí)砼墻下沉100～200 mm，埋深在100～150 m時(shí)砼墻下沉200～300 mm。

3.2 頂板管控措施

機(jī)尾段周期來壓步距較小，來壓頻繁需加強(qiáng)支架初撐力管控，在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)支架壓力不足現(xiàn)象，必須立即補(bǔ)壓。加強(qiáng)三角區(qū)懸頂面積管控，可以提前在巷道內(nèi)施工應(yīng)力釋放孔，減少三角區(qū)懸頂面積。正常情況下超前支護(hù)距離由20 m增加至30 m，采用每排3根進(jìn)行支護(hù)，在砼墻側(cè)加打單體1排，加打距離為10 m。要每班檢查單體支護(hù)情況和測量單體下沉情況，發(fā)現(xiàn)單體支護(hù)質(zhì)量不符合要求要及時(shí)加密支護(hù)。過集中煤柱區(qū)和架棚區(qū)等特殊構(gòu)造地帶，采取加密超前支護(hù)方式和延長超前支護(hù)距離。超前支護(hù)20 m范圍內(nèi)的單體排距由1.5 m變更為1 m。在生產(chǎn)作業(yè)中嚴(yán)禁超前回撤單體，壓力較大時(shí)必須等待壓力穩(wěn)定后才能回撤單體。過特殊地質(zhì)構(gòu)造，在機(jī)尾作業(yè)時(shí)必須嚴(yán)格執(zhí)行“作業(yè)不生產(chǎn)，生產(chǎn)不作業(yè)”的規(guī)定，確保作業(yè)人員在頂板發(fā)生狀況時(shí)能夠及時(shí)采取躲避措施。因砼墻變形嚴(yán)重，機(jī)尾端頭架存在壓架風(fēng)險(xiǎn)，需提前測量巷道高度，按巷道最大下沉量計(jì)算高度是否滿足要求，提前采取起底作業(yè)。

4 結(jié)論

(1)柔?；炷裂乜樟魤ρ貕蛳锛夹g(shù)，采用1 m厚的柔?；炷翂w替代了15 m的護(hù)巷煤柱，多回收了煤炭資源，能夠延長礦井服務(wù)年限。沿空留巷超前工作面10m內(nèi)為應(yīng)力急增區(qū)，墻體結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重，頂板下沉明顯；超前工作面10～20 m內(nèi)為應(yīng)力緩升區(qū)，頂板下沉不明顯，兩幫及頂板未發(fā)生明顯破壞。

(2)沿空留巷支承壓力從采空區(qū)懸頂斷裂處開始向工作面一側(cè)傳遞，更多地承受工作面采空區(qū)覆巖壓力，所以其支承壓力峰值偏向巷道頂部，且應(yīng)力峰值相比掘巷應(yīng)力峰值要高，曲線向工作面延伸的也遠(yuǎn)，致使機(jī)尾段來壓頻繁，而后恢復(fù)至原巖應(yīng)力。

(3)沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)表現(xiàn)為回采時(shí)超前墻體結(jié)構(gòu)破壞較掘巷嚴(yán)重，頂板下沉明顯、頂板回轉(zhuǎn)變形較為明顯，墻側(cè)下沉比煤幫明顯，工作面煤壁片幫影響范圍較長。留巷超前支承壓力對工作面的超前影響范圍為20 m，工作面10 m范圍內(nèi)采動(dòng)對巷道圍巖變形影響劇烈。因此，建議在滿足煤礦安全規(guī)程超前支護(hù)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上對超前10 m范圍進(jìn)行單體加強(qiáng)支護(hù)。

(4)沿空留巷三角區(qū)懸頂面積大，可采取提前巷道內(nèi)水預(yù)裂的方式阻斷頂板壓力的傳遞或在留巷時(shí)優(yōu)化支護(hù)，避免因支護(hù)強(qiáng)度過大導(dǎo)致三角區(qū)頂板垮落困難。