特厚煤層綜放開采孤島工作面巷道強礦壓控制技術研究

塔山礦及麻家梁礦均屬大同煤礦集團的千萬噸礦井，塔山礦8204-2工作面及麻家梁礦14203-1工作面均為雙側臨空孤島工作面，其中塔山礦8204-2工作面是塔山礦的第一個雙側臨空綜放工作面，其兩側分別為8204 工作面及8202 工作面，8204 工作面及8202 工作面分別于2015年及2012年回采完畢，該工作面所處的采掘工程環境復雜多變，掘進及回采期間將經歷多次邊界條件變化，例如沿空掘巷階段、實體煤掘巷階段、工作面實體煤回采階段、工作面過斷層階段、工作面經歷區段煤柱寬度連續變化階段、工作面由實體煤到臨采空區回采階段以及工作面寬度尺寸變化階段（刀把式工作面）等。其中工作面區段煤柱寬度連續變化階段對于研究煤柱寬度與巷道圍巖的穩定性關系提供了一個極佳的平臺，通過應力場分布特征、巷道圍巖狀態的分析，確定既能起到防沖增穩又能有效隔離采空區的合理煤柱寬度。2018年12月，預防性地在塔山礦5204-2 巷兩幫施工大直徑卸壓鉆孔，使5204-2 巷道周邊煤體圍巖塑性破壞，減輕支護壓力。如圖1 所示。

圖1 巷道進行幫部卸壓

2019年3月，工作面回采過程中，受應力疊加以及斷層構造影響，2204-2運輸巷在超前工作面80 m范圍發生明顯的片幫及底鼓，運輸機傾斜，行走困難，工作面推進緩慢，影響工作面安全生產及工作人員的安全通行，由于2204-2巷為運輸巷，不適合大型機械作業，因此在巷道底板開挖卸壓槽，釋放圍巖應力。如圖2所示。

圖2 巷底卸壓槽

14203-1 工作面是麻家梁礦井二采區14205 回采工作面的接替面，兩側均為采空區為孤島工作面。由于孤島工作面上覆巖層活動規律與非孤島形式下開采大不相同，導致工作面礦壓顯現劇烈、巷道圍巖破壞嚴重，因此孤島工作面開采的危險程度要比非孤島工作面的大，同時孤島工作面采場的支護強度要比巷道高很多，所以孤島工作面開采研究的重點實際上是回采巷道的圍巖控制。

針對以上工程實際，同煤集團聯合河南理工大學的科研團隊，展開技術攻關，對塔山8204-2 孤島工作面以及麻家梁煤礦14203-1孤島工作面回采巷道布置開展深入的研究工作，通過相關的數學、力學理論進行分析以及數值模擬實驗對其綜合研究，系統研究了沿空巷道煤柱寬度與巷道圍巖穩定性的關系、特厚煤層高強度開采沿空側覆巖結構特征與小煤柱礦壓顯現的時空強關系、孤島工作面高強度開采安全控制技術，從而形成了特厚煤層孤島工作面開采小煤柱沿空掘巷成套技術，實現了巷道圍巖的有效控制，滿足了孤島工作面復雜條件下安全開采的需要。

本項目取得了如下創新性成果：

（1）通過分析孤島工作面巖層運動規律以及應力場的運移規律，對比塔山麻家梁礦現場礦壓規律實測數據，對特厚煤層孤島工作面高強度開采強礦壓機理進行了研究。結果表明：特厚綜放孤島工作面在正常回采過程中，上覆煤巖層受回采擾動會漸次經歷初次垮落及規律性破斷。孤島工作面的結構穩定性處于高應力狀態下，采動影響更加劇烈，頂板冒落突然性加大，對孤島工作面安全回采不利。麻家梁礦的地質條件下，孤島工作面較非孤島工作面礦壓強度增加約8%。就目前麻家梁礦工作面支架及其他回采設備來講，工作面內部礦壓完全在可控范圍內。而孤島工作面礦壓強度增加現象所帶來的巷道難以維護的問題成為重點和難點。

（2）通過分析以塔山、麻家梁為背景下的工作面端部覆巖結構、端部應力場、煤柱及巷道力學特征及破壞機理、巷道合理位置等方面，來對孤島工作面巷道強礦壓治理方式方法進行研究。結果表明：塑性煤柱的變形可以有效緩解礦壓顯現強度，降低沖擊礦壓的發生可能性，使用寬度小的塑性煤柱，不僅有利于提高煤炭資源的利用率，而且能保持巷道和煤柱的穩定性，因此留設寬度較小的塑性煤柱更加符合現代化安全高產高效開采的要求，同時也是解決孤島工作面強礦壓現象的根本方法。塔山礦合理煤柱寬度為5.2 m～9.07 m，合理巷道掘進時間為相鄰采空區回采結束后9 個月后；麻家梁礦合理煤柱寬度為5 m，實際留設寬度為7 m，合理巷道掘進時間為相鄰采空區回采結束后5個月后。

（3）結合塔山、麻家梁礦的現場運用情況，對孤島工作面回采巷道的安全防控技術措施的效果進行研究。結果表明：鉆孔卸壓、泄壓槽卸壓、卸壓巷硐卸壓以及高預應力強力支護技術措施對控制孤島工作面小煤柱巷道的強礦壓現象效果明顯。

（4）通過總結之前的理論及現場實施情況，提出以塔山、麻家梁礦為例的特厚煤層孤島工作面開采小煤柱沿空掘巷的加強支護形式以及孤島工作面小煤柱沿空掘巷成套技術體系。主要包括：高預應力強力支護技術、小煤柱巷道硐室填充技術、水火瓦斯安全保障技術以及小煤柱巷道的綜合監測技術。

項目研究成果在塔山礦8204-2 工作面及麻家梁礦14203-1 工作面進行了現場應用，共多回收原煤約147 萬噸，節省煤柱及支護成本價值57092 萬元，提高了煤炭回收率，降低了巷道的變形量，減少了巷道維護難度，在全斷面噴漿后有效的隔絕了巷道與一側采空區之間的氣體交流，有效避免了瓦斯超標以及自然發火等問題，從而提高工作面的安全作業水平，實現了煤炭資源的安全高效開采。

本項目于2020年1月通過了中國煤炭工業協會組織的鑒定，獲國際領先水平。