利用開采解放層治理強礦壓

呂梁杰，秦飛龍

(大同煤礦集團 馬脊梁礦，山西 大同 037003)

隨著大同煤礦集團上層侏羅系資源的枯竭，開始開發(fā)下層石炭二疊系煤層。與侏羅系煤層相比，石炭二疊系煤層厚度大，為14～20 m，具備建設(shè)千萬噸礦井的條件，自2003年以來，大同煤礦集團先后建成了塔山、同忻、馬道頭、同發(fā)東周窯、馬脊梁等多座千萬噸礦井，現(xiàn)代化綜采裝備的深度應(yīng)用，使得大同煤礦集團產(chǎn)能得到進一步的攀升。從總量上看，千萬噸礦井的產(chǎn)能已經(jīng)達到集團總產(chǎn)能的60%以上，占有舉足輕重的地位。但由于千萬噸礦井在開發(fā)石炭二疊系煤層的過程中，為快速收回投資，開采的部署格局通常為前進式順序開采，生產(chǎn)過程中，開發(fā)強度大、開采速度快、接替緊張，導致采掘過程中礦壓顯現(xiàn)強烈，甚至發(fā)生強礦壓現(xiàn)象，一度成為礦井安全生產(chǎn)的瓶頸[1-3]。

1 強礦壓危害及對策

強礦壓顯現(xiàn)主要表現(xiàn)在以下三個方面：

1) 臨空巷道難以維護。綜放工作面在推進過程中，由于上一個工作面剛剛回采結(jié)束，其頂板仍然處在活動期，加之本工作面的超前影響，兩項疊加，導致臨空巷道超前壓力加大，嚴重時，頂?shù)装逡平蓭鸵平鼛缀蹰]合，其影響范圍最大達到超前支護200 m，見圖1。

2) 相鄰掘進巷道難以維護。與上述分析礦壓作用原因一樣，掘進巷道受相鄰綜放工作面采動影響，壓力增加，經(jīng)常出現(xiàn)底鼓、炸幫等現(xiàn)象，特別是在采掘工作面交鋒時200 m范圍內(nèi)更為明顯，嚴重時巷道出現(xiàn)壓垮現(xiàn)象。

3) 受綜放工作面采動的超前應(yīng)力影響，膠帶巷(非臨空)超前支護范圍易出現(xiàn)頂板下沉，導致巷道高度降低，頭部設(shè)備前移困難，需起底擴幫。

圖1 臨空巷道變形區(qū)域

鑒于上述原因，在逐步摸索認知的過程中，從瓶頸入手，以治理強礦壓為出發(fā)點，結(jié)合地質(zhì)條件，借鑒治理沖擊地壓常采用的“開采解放層”的方法，提出了用開采解放層卸壓的方法治理強礦壓。解放層開采后，采空區(qū)下方煤巖體應(yīng)力、位移、積聚能量發(fā)生變化，具體為：開采解放層—底板巖層移動—膨脹裂隙發(fā)育—被保護層應(yīng)力降低—積聚彈性能降低—強礦壓發(fā)生幾率降低。

2 開采解放層方案

方案實施地點選在大同煤礦集團塔山礦一盤區(qū)，主采煤層為石炭系C3-5號層，煤層平均厚度21.6 m，平均傾角3°，采煤方法為綜合機械化低位放頂煤采煤法。方案將C3-5號層上覆山4號層設(shè)為保護層，平均層間距21.7 m。山4號層屬不穩(wěn)定煤層，平均煤厚2.8 m，煤質(zhì)較差，在一盤區(qū)僅局部可采，開采經(jīng)濟價值較低，因此在礦井開采前期將一盤區(qū)山4號層列入棄采煤層。本次選擇在C3-5號層8108工作面上覆山4號層對應(yīng)布置8101工作面，實現(xiàn)保護層的開采，方案設(shè)計時，塔山礦一盤區(qū)正在回采C3-5號層8107工作面。

C3-5號層8108工作面位于塔山一盤區(qū)的中部，傾向長度207 m，走向長度2 000 m，煤厚17～22 m，平均埋深402 m。工作面采用三巷布置方式：2108巷為膠帶巷，兼做進風；5108巷為輔運巷，兼做回風；8108頂板高抽巷。

山4號層8101工作面位于C3-5號層8108工作面正上方約20 m處，傾向長度227 m，走向長度1 800 m，煤厚2.2～3.3 m。工作面采用兩巷布置，2101巷為膠帶巷，兼做進風；5101巷為輔運巷，兼做回風。8101工作面水平方向外錯C3-5號層8108工作面10 m，見圖2。

圖2 8101工作面與8108工作面平面布置

3 實施效果

3.1 回采期間礦壓顯現(xiàn)

8107工作面回采期間工作面周期來壓步距為18～21 m，來壓時在線監(jiān)控顯示支架最大工作阻力基本能達到40 MPa，8108工作面初采階段由于來壓顯現(xiàn)強度小，來壓步距不規(guī)律，為19～38 m，在進入周期來壓階段時，周期來壓步距為25～29 m，支架工作阻力一般為30 MPa，來壓不明顯。臨空巷道未發(fā)生明顯超前支護應(yīng)力集中顯現(xiàn)事件，膠帶巷超前支護范圍也未出現(xiàn)頂板下沉。由此可知開采解放層對C3-5號層綜放8108工作面開采起到卸壓作用。

3.2 掘進期間礦壓顯現(xiàn)

8107工作面與5108巷掘進交鋒在巷道里程1 400 m處，5108巷在交鋒前50 m出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，路面出現(xiàn)裂縫、破損，后期對底鼓區(qū)域起底，重新鋪底；部分位置有錨桿失效，現(xiàn)場采用組合錨索進行補強支護，共計補強支護范圍為100 m。保護層開采后，8108工作面與5109巷交鋒在1 800 m處，5109巷內(nèi)出現(xiàn)輕微底鼓，巷道變形較小，巷道支護完好。

4 結(jié) 語

1) 針對特厚煤層綜放工作面回采過程中的強礦壓問題，本文提出了通過開采解放層來治理強礦壓的方法，為大同礦區(qū)同條件礦井提供了參考經(jīng)驗。

2) 開采解放層有效緩解了特厚煤層綜放工作面回采期的礦壓顯現(xiàn)，保障了特厚煤層綜放工作面的安全。

3) 開采解放層提高了礦井資源回收率，延長了礦井服務(wù)年限。塔山礦山4號煤層一盤區(qū)設(shè)計布置5個工作面，三盤區(qū)設(shè)計布置9個工作面，共14個工作面，預(yù)計可采出煤炭近2 000萬t，經(jīng)濟效益顯著。