大同礦區(qū)石炭系8#層沿空留巷方式下的切巷掘進(jìn)工藝實踐

劉 菲，馬占新，馬亞杰

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 大同 037003；2.山西大學(xué)電力與建筑學(xué)院，山西 太原 030006）

無煤柱開采技術(shù)在國內(nèi)外都有研究［1］，該技術(shù)的重點是如何避免采空區(qū)頂板應(yīng)力傳遞造成鄰面的巷道（尤其是大斷面切巷）應(yīng)力集中，從而出現(xiàn)巷道圍巖大量變形乃至破碎，最終導(dǎo)致巷道無法正常使用的問題?；诖?，經(jīng)過認(rèn)真研究與總結(jié)，根據(jù)無煤柱開采時鄰空面巷道圍巖在不同時空的變化規(guī)律，采用“先同后異平齊法”掘進(jìn)工藝，實現(xiàn)了安全、快速掘進(jìn)。

1 同忻煤礦C8#層北一盤區(qū)8105工作面概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻煤礦（簡稱“同忻煤礦”）北一盤區(qū)為C8#層首采盤區(qū)，8105 工作面為首采工作面，采用無煤柱沿空留巷方式開采，8105 工作面采掘工程平面圖如圖1所示。

圖1 8105工作面采掘工程平面圖

C8#層8105 切巷地面相對位置位于后溝與小海溝之間的山坡與溝谷地段，地面標(biāo)高1 162～1 173 m，平均1 167.5 m，工作面標(biāo)高759～767 m，平均763 m，平均埋深404.5 m，區(qū)域內(nèi)無水體及建筑物。井下位于同忻井田東部，西部為8#煤層北一盤區(qū)8105 工作面兩順槽，同層其余為實煤區(qū)，上覆為同忻煤礦C3-5#層8104和8105 工作面采空區(qū)，層間距平均23 m 左右。C3-5#層采用綜放開采工藝，平均采高18 m，其中8104 面于2014 年5 月采完，8105 面于2013 年7 月回采完畢。煤層厚度1.0～5.7 m，平均3.61 m。煤層傾角1～3°，平均2°。工作面走向長1 802～1 809 m，平均1 805.5 m，傾向長229.5 m。最大涌水量1 m3/min，正常涌水量0.3 m3/min。瓦斯分帶為氮氣甲烷帶，相對涌出量4.07 m3/t，絕對涌出量17.12 m3/min。煤塵具有爆炸性，火焰長度＞400 mm，自燃發(fā)火期2.8 個月。地溫21.3°。掘進(jìn)斷面為9 100 mm×3 850 mm，采用錨網(wǎng)+錨索梁+錨索組+單體液壓支柱+木垛聯(lián)合支護(hù)。

2 切巷安全快速掘進(jìn)的工藝分析

2.1 巷道掘進(jìn)時圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

在巷道開掘以前通常處于彈性變形狀態(tài)巖體的原始應(yīng)力等于上部覆蓋巖層的重量，巷道開掘后原巖應(yīng)力重新分布,巷道圍巖內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中。如果圍巖應(yīng)力小于巖體強度,圍巖仍處于彈性狀態(tài)；如果圍巖應(yīng)力大于巖體強度，巷道圍巖會產(chǎn)生塑性變形,從巷道周邊向圍巖深處擴展到一定范圍，出現(xiàn)塑性變形區(qū)。塑性區(qū)內(nèi)圈的圍巖強度明顯削弱，低于原始應(yīng)力，圍巖發(fā)生破裂稱為破裂區(qū)，也叫卸載和應(yīng)力降低區(qū)。塑性區(qū)外圈的應(yīng)力高于原始應(yīng)力，為承載區(qū)，也稱應(yīng)力增高區(qū)。巷道圍巖從外向里形成破碎區(qū)、塑性區(qū)、穩(wěn)定區(qū)（原始應(yīng)力區(qū)）［2-3］。

2.2 巷道回采時圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

巷道回采過程破壞了原巖應(yīng)力場的平衡狀態(tài),引起應(yīng)力重新分布。煤層開采以后，采空區(qū)重量將向采空區(qū)周圍新的支承點轉(zhuǎn)移，從而在采空區(qū)四周形成支承壓力帶。工作面前方形成超前支承壓力，它隨著工作面推進(jìn)而向前移動，稱為移動性支承壓力或臨時支承壓力；工作面傾斜和仰斜方向及開切眼側(cè)煤體上形成的支承壓力，在工作面采過一段時間后，不再發(fā)生明顯變化，稱為固定支承壓力或殘余支承壓力；回采工作面采過一定距離后,采空區(qū)上覆巖層活動將趨于穩(wěn)定，采空區(qū)內(nèi)某些地帶冒落矸石被逐漸壓實,使上部未冒落巖層在不同程度上重新得到支撐，因此，在距工作面一定距離的采空區(qū)內(nèi)，也可能出現(xiàn)較小的支承壓力，稱為采空區(qū)支承壓力［3-4］。

2.3 巷道圍巖原始應(yīng)力分布規(guī)律

巷道圍巖的原始應(yīng)力是由于地殼構(gòu)造運動在巖體中引起的，包括地質(zhì)構(gòu)造發(fā)生過程中在地下巖體內(nèi)所產(chǎn)生的應(yīng)力及已結(jié)束的地質(zhì)構(gòu)造運動殘留于巖體內(nèi)部的應(yīng)力。一般規(guī)律為：原始應(yīng)力場內(nèi)鉛直應(yīng)力基本上等于上覆巖層重量，水平應(yīng)力一般為鉛直應(yīng)力的0.5～5.5 倍，因此以水平應(yīng)力為主，且具有明顯的方向性和區(qū)域性。目前大同礦區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力較大,最大水平擠壓應(yīng)力方向基本上為SE—NW 向,走向位于N—W向,在324.9～331.7°范圍內(nèi)變化,其最大水平主應(yīng)力數(shù)值大小在12.05～13.11 MPa范圍內(nèi)變化［4-5］。

2.4 巷道圍巖變形規(guī)律

根據(jù)“關(guān)鍵層”［2］和“砌體梁”［3］理論得出：巷道圍巖變形由掘進(jìn)時的變形+回采時的變形+采掘影響穩(wěn)定后的圍巖流變組成，具體見圖2所示［5-6］。

圖2 巷道圍巖變形規(guī)律

2.5 解決方案——采用“先同后異平齊法”掘進(jìn)工藝

根據(jù)以上理論分析得出，采用“先同后異平齊法”掘進(jìn)工藝：“先同”：鄰面切巷先作為同巷掘進(jìn)；“后異”：之后分時段擴切；“平齊法”：兩個面的切眼巷對齊的方法，可以實現(xiàn)無煤柱沿空留巷方式下切巷的安全快速掘進(jìn)。

2.5.1 先同

在掘進(jìn)影響區(qū)（Ⅰ）掘兩個面的切眼導(dǎo)向硐，不僅保證出面速度快，且一次成巷、不出現(xiàn)二次擾動，從而減少了交岔區(qū)域即“對門”巷道的多次、多重補強支護(hù)。

2.5.2 后異

在掘進(jìn)影響穩(wěn)定區(qū)（Ⅱ）擴刷上區(qū)段面的切眼巷，在回采影響穩(wěn)定區(qū)（Ⅳ）擴刷下區(qū)段面的切眼巷，實現(xiàn)安全快速掘進(jìn)。

2.5.3 平齊法

兩個鄰采面的切眼對齊，根據(jù)圍巖及原始應(yīng)力分析，只有切眼平齊，才能實現(xiàn)在掘進(jìn)期間、鄰面回采期間、本面初采期間下區(qū)段切眼巷處于礦壓穩(wěn)定卸載區(qū)，實現(xiàn)安全開采。

3 同忻礦C8#層北一盤區(qū)8105工作面實踐驗證

3.1 “先同后異”掘切巷

同：第同①時間段：2020年8月1日開始掘8105切眼巷，至2020年9月17日掘通。

第同①時間段：2020 年9 月18 日開始掘8104 切眼巷，至2020年10月31日掘通。

異：第異②時間段：2020 日11 月1 日~11 月3 日搬家準(zhǔn)備；2020年11月4日至2020年12月5日擴刷8105切眼巷完畢。

第異③時間段：2021 年3 月10 日至2021 年4 月10日擴刷8104切眼巷完畢。

圖3為“先同后異”切眼施工示意圖。

圖3 “先同后異”切眼施工示意圖

3.2 “平齊法”掘切巷

8105和8104面切眼平齊，與水平應(yīng)力方向約30～60°，根據(jù)水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定程度的影響主要隨夾角正弦值的平方變化規(guī)律得出水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響基本無明顯變化［7］。同時當(dāng)8105 工作面采完后，整個北一盤區(qū)的8#層的下位關(guān)鍵層以砌體梁的形式進(jìn)行圍巖運動，對8104 面的開采起到了卸壓的作用，使其開采期間的礦山壓力降低。北一盤區(qū)C8#層鄰面卸壓示意圖如圖4所示。

圖4 北一盤區(qū)C8#層鄰面卸壓示意圖

3.3 實踐驗證效果

8105 面和8104 面切眼巷掘進(jìn)用時90 日，總進(jìn)尺460 m，日均進(jìn)5 m。其中40 m煤巷，420 m為頂部沖刷導(dǎo)致的煤層變薄區(qū)，在8105 擴刷時用時30 日，日均進(jìn)尺8 m，實現(xiàn)了安全快速掘進(jìn)。

4 結(jié)論

通過采用“先同后異平齊法”掘切巷，實現(xiàn)了大同礦區(qū)石炭系8#層無煤柱沿空留巷開采方式下大斷面切巷安全、快速掘進(jìn)，效益顯著。8105 工作面，實現(xiàn)了在掘進(jìn)時減少一次設(shè)備搬家，同時還能提前5 日圈出工作面，節(jié)省搬家費用約10 萬元左右。