大采高工作面跨下部巷道開采及支護技術研究

孟 敏

（霍州煤電集團晉北煤業有限公司，山西 靜樂 035100）

0 引言

煤炭資源在漫長地質變化進程中形成各種復雜的賦存狀態，在礦井開采工作時根據煤層特殊的賦存條件設計安全有效的回采方案，盡管如此煤層開采時還會遇到各種各樣的問題。例如：礦井設計巷道布置于所需開采煤層下部時，煤層的開采對于下部巷道的穩定性有一定的影響。由于工作面生產機械擾動及頂板斷裂礦壓顯現等綜合因素的影響，此類工作面的開采方案和相關巷道的支護都成為行業工作者所研究的重點課題。煤礦生產工作面礦壓顯現隨著頂板構成巖性的特征和工作面生產工藝的不同會發生一定的改變，對于大采高工作面礦壓規律的研究可知隨著工作面開采高度的增加頂板周期來壓急劇增大，通過提高回采速度將基本頂關鍵層的斷裂垮落帶滯留在后方采空區可有效緩解工作面受開采動壓的影響。礦井生產系統中所開拓的各種運輸通風巷道在生產工作時需要根據生產情況做臨時支護，當工作面開采產生的動壓會影響整個采場中已有的巷道、保護煤柱、服務硐室等特殊區域時，圍巖應力狀態會發生不規則變化，通常需要加強臨時支護保證其穩定性，確保生產安全。

本文根據晉北煤業公司5-103回采工作面跨采下部集中軌道、皮帶巷道為研究背景，提出通過調整回采工藝及提高下部巷道臨時支護強度兩個方面來控制工作面開采對周圍巷道穩定性的影響。

1 工程概況

晉北煤業公司5-103工作面，為該礦井一采區第三個回采工作面，該工作面傾向長度622m走向長度180m，煤層賦存平均厚度5.1m屬于中厚煤層，煤層整體傾角5°～17°傾角較小，整個工作面可采5#煤儲量78萬t，回采率93%。5-103工作面東北方為一采區回風、皮帶、軌道大巷，西北方為該采區邊界，東南方為井田邊界，西南方與牛泥煤礦采空區相鄰。工作面上方蓋山厚度約為80～150m，其中巖層厚度約為23～53m，黃土層厚度約為67～76m，工作面埋深較淺，頂板受風化及水侵蝕破碎較為嚴重。煤層上方直接頂為裂隙較為發育的灰黑色灰巖，巖層中含有植物化石，平均厚度1.6m，老頂為6m厚的灰質泥巖同樣裂隙較為發育，煤層下方直接底為5m左右厚的泥巖。在5-103工作面回采過程中會經過整個一采區服務的軌道大巷和皮帶大巷，巷道位于開采工作面下方，距離較近在回采經過時對其穩定性有嚴重影響。

2 工作面開采跨巷道支護破壞機理

2.1 工作面開采跨巷道位置研究

將5-103工作面兩條工作面巷道分別命名為5-1031和5-1032巷道，5-103工作面回采經過下部軌道大巷和皮帶大巷。5-1031巷道與下部軌道巷層間距為13m，包括10.9m的泥巖和2.1m的煤層；5-1032巷道與下部軌道巷層之間相隔4m厚的5#煤層。5-1031巷道與下部皮帶巷層間距為12.7m，包括10.7m泥巖和2m的煤層；5-1032巷道與下部皮帶巷層間距為9.8m，包括7.9m泥巖和1.9m煤層。巷道位置如圖1所示。

圖1 開采工作面與所跨巷道位置關系

2.2 工作面開采跨巷道破壞因素分析

根據對同采區工作面開采過程中巷道變形特征及圍巖地質資料研究可知，該采區煤層埋深較淺，在上部地表降水、日曬風化及整個采場作業產生的動壓等共同作用下，工作面服務巷道和采區服務巷道的頂板與兩幫的穩定性控制都是該礦井安全生產的主要威脅，概括分析工作面及采區大巷破壞的因素主要有以下幾個方面：

1）煤層埋深僅為100m左右，上層巖體受風化及地表降水侵蝕較為嚴重，頂板巖層在長期的風氧化作用下內部產生許多貫通且較大的裂隙帶，結構裂隙較為發育，同時地表降水通過裂隙帶滲入侵蝕巖體使得巖體結構穩定性降低。

2）工作面頂板巖體破碎，頂板關鍵層破壞頻繁礦壓顯現劇烈，統計采區內其他工作面頂板來壓特性可知，工作面老頂來壓步距為10m左右，老頂來壓時工作面支架工作阻力平均上升為30MPa，最大可達35MPa。

3）工作面選用ZY11000/24.5/50型兩柱支撐掩護式液壓支架，大采高工作面液壓支架支護強度較高，工作面支架初撐力較小時，頂板巖層充分變形，當頂板的斷裂出現在支架前部時，頂板的沖擊動壓通過支架傳遞至下部巷道頂板時可直接下部導致巷道的破壞，因此在工作面推進跨下部巷道時需要通過優化開采工藝確保下部巷道穩定。

3 工作面開采跨巷道工藝優化

3.1 上部工作面開采工藝優化

1）跨巷道前調整工作面來壓步距，在工作面即將到達下部巷道時，通過提前停采切頂改變工作面頂板垮落步距，使得工作面推進至空巷上方時不會產生頂板周期垮落，保證工作面及下部巷道受動壓影響最小。

2）連續開采，5-103工作面在跨下部巷道開采期間，工作面不安排停機檢修，在跨采之前安排檢查工作面所有設備運行狀況，確保機械設備處于良好的工作狀態。快速推進工作面使得頂板關鍵層破壞出現在后部采空區，保證工作面下部巷道不會同時受采動和礦壓沖擊共同作用。

3）適當提高支架初撐力，在工作面跨下部巷道時，整體提高液壓支架初撐力，支架初撐力不得低于28MPa，較高的初撐力可控制頂板在煤層開采過后裂隙的二次發育，頂板變形速度的降低也是控制周期來壓的有效途徑。

4）適當降低回采高度，工作面開采高度越大，上方頂板垮落充填采空區的高度就越大，當工作面前推后頂板垮落產生的沖擊對下部巷道影響嚴重，降低采高可有效減小巷道受沖擊破壞。

5）調斜開采，為了避免工作面液壓支架全部出現在下部巷道上方，對下部巷道產生較為集中的載荷，在工作面距離跨巷30m時調斜工作面布置，使得工作面在回風巷道端超前運輸巷道15m，調斜角度5°左右，工作面布置如圖2所示。

3.2 下部所跨巷道臨時支護工藝優化

在回采過程中所需要跨過兩條采區巷道的長度均為180m，其中軌道巷距離上部煤層較大區域采用錨桿錨索支護，巷道長100m，巷道傾斜段距離上部煤層較大區域采用架棚支護，巷道長80m，皮帶巷道156m的長度支護方式為錨桿錨索支護，24m的長度為架棚支護。錨桿錨索支護巷道寬4500mm，高2600mm，兩幫錨桿間排距700×1000mm，頂板錨桿間排距840×1000mm，錨桿長度1.5m，頂板每排布置兩根錨索間排距1600×3000mm，錨索長度7.3m。架棚支護段巷道上寬3.2m，下寬4.6m，高3.0m，巷道采用11#礦用礦用梯形工字鋼進行支護，棚距間隔1m。整個巷道頂板及兩幫鋪設16#菱形金屬網。

工作面推進至下部巷道上方時對巷道進行臨時支護，在采區軌道巷靠近上方5-1032巷道部分60m的范圍內采用袋裝矸石配合高水材料進行充填，施工方案如圖3所示，其它段巷道采用格為200×200×1200mm和200×200×2400mm兩種道木支設木垛，木垛排距為1500m，采用插花布置，錨桿錨索段巷道臨時支護如圖4所示，架棚段巷道臨時支護如圖5所示。

圖3 矸石加高水材料充填

圖4 錨桿錨索段巷道臨時支護方式

4 現場監測

圖5 架棚段巷道臨時支護方式

通過實施上述開采和支護方案，嚴格控制工作面開采動壓保證下部所跨采巷道處于穩定狀態，對工作面礦壓及巷道變形監測，得到結果如下：

1）工作面推進至下部巷道上方前通過調整來壓步距，距離開采巷道上部煤層3m時產生最后一次關鍵層斷裂，工作面快速推進，在跨過巷道3m后再一次周期來壓，此次周期來壓步距10m。

2）提高工作面液壓支架初撐力至28MPa，在工作面跨采巷道時液壓支架整體工作阻力提高5MPa，工作面運輸和回風巷道超前支撐單體立柱工作阻力增大到20MPa，對于支護后的巷道頂底板滿足該條件下比壓。

3）監測回采期間下部軌道與皮帶大巷頂板位移情況，在5-1031巷道下部軌道巷頂板下沉7.6mm，皮帶巷頂板下沉5.4mm，5-1032巷道下部軌道巷頂板下沉12.5mm，皮帶巷頂板下沉8.2mm，整體巷道穩定性良好

5 結論

1）回采工作面經過下部巷道時，當工作面距離巷道較近時回采擾動對巷道穩定性影響較大，頂板構成巖性、頂板周期來壓、液壓支架初撐力、回采工藝等都是影響巷道穩定性的重要因素。

2）在工作面推進經過下部巷道時，可以通過適當降低回踩高度、調斜工作面、連續開采、提高初撐力、調節頂板周期來壓等優化工作面回采工藝的方式，減小工作面回采對下部巷道的擾動。

3）當上部工作面回采經過下部巷道時需要對巷道進行臨時支護，巷道與煤層垂直距離小于10m時應采用全部充填的方法保證巷道穩定性。