綜采放頂煤工作面臨空巷道礦壓控制措施

王 鵬

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原030024；2.同煤國電同忻煤礦有限公司機(jī)電科，山西 大同 037001）

1 同忻煤礦綜采放頂煤工作面地質(zhì)條件概況

同忻礦井位于山西省大同市西南約20km，大同煤田北東部。礦井設(shè)計(jì)規(guī)模為10.00mt/a。礦井首先開采東部一水平北一盤區(qū)，現(xiàn)已開采完北一盤區(qū) 8101、8100、8106、8107、8105 五個(gè)工作面，現(xiàn)采面為 8104工作面。這六個(gè)工作面均開采石炭系太原組3～5號(hào)煤層，屬特厚煤層，工作面煤層平均厚度為18m左右，煤層傾角一般為3～10°。工作面老頂為中細(xì)砂巖、含礫粗砂巖，直接頂為粗砂巖，直接底為泥巖與粉砂巖互層，采用一次采全高放頂煤開采，實(shí)現(xiàn)了特厚煤層一次全高開采。

按照綜采工作面接續(xù)安排及工作面布置情況，先后出現(xiàn)了3條臨空巷道，分別是8107工作面5107巷、8105工作面5105巷和8104工作面5104巷。在開采過程中，臨空巷道出現(xiàn)了嚴(yán)重的礦壓顯現(xiàn)情況，包括頂板下沉、底鼓、幫鼓等現(xiàn)象，影響了巷道的安全使用。（綜采工作面開采順序?yàn)?106→8107→8105→8104，位置關(guān)系如圖1。）

圖1 綜采工作面位置關(guān)系示意圖

2 臨空巷道礦壓顯現(xiàn)的危害程度及其原因分析

2.1 臨空巷道礦壓顯現(xiàn)的危害程度

因開采強(qiáng)度大，在綜放面超前壓力、鄰面采空區(qū)頂板壓力、上覆侏羅系集中煤柱的共同作用下，臨空巷道壓力顯現(xiàn)大，頂板下沉、底鼓、幫鼓嚴(yán)重，混凝土澆鑄的底板被頂起、折斷（圖2），車輛無法通行；巷道表面混凝土噴層開裂、掉落，煤壁片幫，兩幫內(nèi)擠最大可達(dá)1.0m多，尤以煤柱側(cè)幫更為嚴(yán)重（圖3）；巷道頂板下沉明顯，局部區(qū)域頂板鋼帶變形，錨桿被拉斷（圖4）。巷道需進(jìn)行二次起底及補(bǔ)打錨桿、錨索，加大了維修工程量，嚴(yán)重影響了巷道的安全使用。

圖2 底鼓明顯

圖3 巷道片幫

圖4 漿皮脫落、鋼帶變形

2.2 臨空巷道礦壓顯現(xiàn)的原因分析

根據(jù)同忻煤礦臨空巷道的礦壓顯現(xiàn)情況及地質(zhì)條件分析，主要原因有以下幾點(diǎn)：

1）綜放工作面臨空巷道與工作面采空區(qū)相鄰是主要原因之一。

臨空巷道與工作面采空區(qū)間煤柱為45米。工作面采空區(qū)三角區(qū)頂板塌落不實(shí)臨空壓力傳遞導(dǎo)致巷道煤壁松軟、頂板離層，加上綜放工作面采動(dòng)壓力產(chǎn)生超前壓力疊加，使臨空巷道底鼓、片幫、頂板下沉加速。

2）工作面采空區(qū)老頂垮落，對(duì)臨空巷道產(chǎn)生壓力影響。

3）工作面采空區(qū)超前壓力，對(duì)臨空巷道產(chǎn)生壓力影響。

4）特厚煤層放頂煤開采，采高大且頂板巖石堅(jiān)硬不易垮落，在工作面采空區(qū)和煤柱上形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生采動(dòng)壓力，造成工作面頂板周期來壓強(qiáng)烈，超前壓力影響范圍比侏羅系煤層大。

5）留頂煤巷道在礦山壓力作用下，巷道易變形。

臨空巷道留頂煤掘巷，煤層層理發(fā)育，且錨桿、錨索支護(hù)不能錨固在穩(wěn)定的巖層中，在礦山壓力作用下易破壞巷道原支護(hù)，導(dǎo)致巷道底鼓、片幫和頂板下沉明顯。

6）根據(jù)遼寧工程技術(shù)大學(xué)對(duì)同忻井田煤層地質(zhì)條件分析評(píng)估，受井田內(nèi)斷裂影響，綜放工作面處于應(yīng)力升高區(qū)，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。

3 臨空巷道礦壓控制措施

為了工作面安全順利生產(chǎn)，針對(duì)5107巷、5105巷及5104巷三條臨空巷道的各自礦壓情況，除了采取在臨空巷道兩側(cè)打木垛、增加單體柱數(shù)量、頂板補(bǔ)鋼梁打錨索、掛網(wǎng)以及支木柱等一般補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施外，還采取了在巷道兩幫施工卸壓孔、底板爆破孔、堅(jiān)硬頂板水力致裂等一系列卸壓和弱化、控制礦壓顯現(xiàn)的措施，并加強(qiáng)了綜放工作面沖擊性來壓的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作。具體措施如下：

3.1 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施

圖5 5107巷頂板再次掛網(wǎng)

隨著現(xiàn)采工作面逐步向外推進(jìn)，現(xiàn)采面相鄰的巷道受現(xiàn)采面周期來壓、采空區(qū)沉降及采動(dòng)影響，會(huì)出現(xiàn)巷道漿皮開裂脫落、地裂隙、明顯的幫鼓和底鼓等現(xiàn)象，且隨著時(shí)間推移，礦壓顯現(xiàn)程度會(huì)日趨強(qiáng)烈。針對(duì)這些情況，通常采用補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施，具體做法為：

1）臨空巷道內(nèi)出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)的巷段采用頂部工字鋼吊梁、煤柱側(cè)幫角錨索和幫錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2）增加超前支護(hù)長度，在原超前兩排支護(hù)基礎(chǔ)上沿巷中增加一排60米長的超前單體支護(hù)，底板松軟時(shí)單體柱穿鞋支設(shè)。

3）巷道內(nèi)出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)的巷段先采取工字鋼梁二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，然后根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)超前支護(hù)外范圍正進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，與原有鋼梁支護(hù)交替布置。

4）巷道自超前支護(hù)處由里向外實(shí)施了錨桿掛頂網(wǎng)，防止頂板漿皮及支護(hù)材料突然脫落傷人。

3.2 卸壓孔措施

出現(xiàn)巷道漿皮開裂脫落、地裂隙、明顯的幫鼓和底鼓等現(xiàn)象，除了采用補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施外，還可以采用卸壓孔卸壓技術(shù)。施工卸壓孔的基本原理就是采用人工的方法對(duì)圍巖的碎脹變形力進(jìn)行有控制的釋放，使巷道周邊形成的應(yīng)力峰值向遠(yuǎn)離巷道周邊的圍巖深部轉(zhuǎn)移，使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)中。卸壓孔造成局部煤體破裂，降低了煤體強(qiáng)度，使應(yīng)力重新分布，釋放或降低了煤體中的彈性能，減小了巷道承受的壓力和變形量，從而達(dá)到維護(hù)巷道的目的。

以5107臨空巷道為例。5107巷臨近8106面采空區(qū)，巷道壓力大，為了減輕臨空巷道礦壓顯現(xiàn)狀況，先后在5107巷采位890～990m、1000～1200m施工卸壓孔，孔深15m，孔徑108mm，每側(cè)打兩排，三花眼布置，眼距1m，排距0.8m。

3.3 底板爆破、堅(jiān)硬頂板水力致裂措施

當(dāng)綜放工作面在開采的過程中，發(fā)生了多次沖擊性來壓，普通的補(bǔ)強(qiáng)措施已經(jīng)無法有效解決時(shí)，可以采用底板爆破、堅(jiān)硬頂板水力致裂。

以5105臨空巷道為例。由于5105巷與8106面采空區(qū)相鄰，8105面開采前，巷道壓力已顯現(xiàn)明顯。在8105工作面開采過程中，5105巷共發(fā)生八次沖擊性來壓，第一次5105巷采位168.8m，第八次采位1012.4m。為了弱化和控制強(qiáng)礦壓現(xiàn)象的發(fā)生，在5105巷采位1045～1480m段施工水力致裂孔20個(gè)，設(shè)計(jì)孔間距20m，孔深39～42m，鉆孔方向?yàn)?106面采空區(qū)懸板，傾角39～45，孔徑Φ50mm，使用注水泵，水力割縫專用封孔器Φ50，安裝桿Φ10，定向水力致裂開槽鉆頭Φ50，致裂壓力一般達(dá)20～46MPa，時(shí)間30min左右。

同時(shí)在5105巷采位950～1050m段施工底板卸壓孔，進(jìn)行底板爆破卸壓。孔間距5m，孔徑Φ50mm，孔與底板夾角60°，垂深5m，每孔裝藥3kg。

圖6 5105巷水力致裂孔示意圖

3.4 綜放工作面沖擊性來壓的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作

除了上述措施外，為了加強(qiáng)綜放工作面沖擊性來壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，可以在盤區(qū)布置微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)綜放工作面開采工程中的巖層、煤層的破裂范圍、強(qiáng)度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合KBD5電磁輻射儀人工采集數(shù)據(jù)，加強(qiáng)對(duì)綜放工作面，尤其是臨空巷道應(yīng)力狀態(tài)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)沖擊性來壓現(xiàn)象，為綜放工作面安全生產(chǎn)提供保障。

4 臨空巷道礦壓控制的效果

1）巷道發(fā)生變形后，適時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，通過補(bǔ)打幫錨桿、幫錨索、頂錨索，支設(shè)木垛，有效控制了圍巖變形，臨空巷道底鼓量、頂板下沉量、幫鼓量較之前有明顯的減小，保證了巷道的安全使用。

2）通過施工卸壓孔等卸壓技術(shù)，提前轉(zhuǎn)移了應(yīng)力分布，減少或防止開采過程中臨空壓力與超前壓力疊加而形成應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在一定程度上緩解了頂板壓力，減弱礦壓顯現(xiàn)，化被動(dòng)為主動(dòng)，從源頭根本上解決問題，實(shí)現(xiàn)礦山壓力控制。

3）在底板爆破、堅(jiān)硬頂板水力致裂措施實(shí)施完成后，5105臨空巷道強(qiáng)礦壓現(xiàn)象得到弱化和控制，直至工作面推進(jìn)到停采線，現(xiàn)場未觀測(cè)到?jīng)_擊性來壓現(xiàn)象，保證了綜放工作面安全順利生產(chǎn)，效果良好。