淺埋煤層孤島工作面無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)研究

文/王生彪

神東礦區(qū)開(kāi)采區(qū)域煤層的典型賦存特點(diǎn)是埋深淺、基巖頂板較薄，表土覆蓋層較厚。淺埋深、薄基巖、厚上覆松散沙層的條件下，無(wú)煤柱開(kāi)采還未有效實(shí)踐。隨著神東礦區(qū)的開(kāi)發(fā)，沿空留巷技術(shù)已應(yīng)用成熟，兩順槽不留煤柱的開(kāi)采技術(shù)還未嘗試。榆家梁煤礦針對(duì)開(kāi)采的52煤層52402無(wú)煤柱孤島長(zhǎng)壁綜采工作面（埋深75～145m），實(shí)踐了無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，取得了成功。針對(duì)此次開(kāi)采實(shí)踐，結(jié)合初采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)行礦壓規(guī)律和覆巖移動(dòng)規(guī)律的總結(jié)研究，為類似條件下綜采工作面無(wú)煤柱安全開(kāi)采及其設(shè)備選型提供參考依據(jù)。

一、工作面概況

1.地質(zhì)條件

52402工作面地表為黃土溝壑區(qū)，起伏變化較大。距52402切眼245m向北上部層間距59～63m有43煤43309綜采面采空塌陷區(qū)。工作面地層是向北西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角1°～3°，局部略有起伏；后生裂隙發(fā)育，斷層不發(fā)育。52402工作面頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。

2.巷道布置

52402運(yùn)輸順槽為工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷，右側(cè)為52403工作面采空區(qū)，左側(cè)為實(shí)體煤；52402輔運(yùn)為工作面進(jìn)風(fēng)巷、輔助運(yùn)輸巷，左側(cè)為52401工作面采空區(qū)，右側(cè)為實(shí)體煤；52402回風(fēng)措施巷為工作面的專用回風(fēng)巷。

3.工作面兩巷情況

（1）運(yùn)輸巷側(cè)沿空留巷。留52403工作面的回風(fēng)順槽作為52402工作面運(yùn)輸順槽，留巷高度3.5m、寬度4.5m，巷旁支護(hù)采用C30柔模混凝土墻體。切眼至留巷1200m，墻體厚度為1m，滯后單體支護(hù)一梁三柱，滯后支護(hù)80～100m；1200m后，巷道開(kāi)始進(jìn)入上敷層煤護(hù)煤柱下，墻體厚度調(diào)整為1.2m，滯后臨時(shí)支護(hù)變?yōu)橐涣何逯瑴笾ёo(hù)距離調(diào)整為120～150m。

表1 52402工作面頂?shù)装鍘r性特征表

巷道為錨網(wǎng)索支護(hù)，頂錨桿型號(hào)φ18×2100mm螺紋鋼、間排距1.1m×1m、一排4根，頂錨索型號(hào)φ17.8×8000mm，間排距1.5m×2m、一排3根。

（2）輔運(yùn)巷側(cè)沿空掘巷。52401綜采工作面膠帶順槽超前工作面澆筑柔模混凝土墻體，混凝土強(qiáng)度C30、墻體厚度1m、墻高3.4m。

52402綜采工作面沿空掘巷，沿52401膠帶順槽留設(shè)的混凝土墻體不留煤皮進(jìn)行掘巷，巷道掘?qū)?.2m、掘高3.4m，墻體外側(cè)為52401綜采工作面采空區(qū)。巷道為錨網(wǎng)索支護(hù)，頂錨桿型號(hào)φ18×2100mm螺紋鋼、間排距1.1m×1m、一排5根，頂錨索型號(hào)φ17.8×6500mm，間排距1.5m×4m、一排5根，正幫選用φ18×1600mm的玻璃鋼錨桿+雙抗塑料網(wǎng)支護(hù)。

4.工作面支護(hù)

（1）特殊支護(hù)。工作面輔運(yùn)采用3臺(tái)工作面內(nèi)同型號(hào)的支架作為超前支架。

（2）工作面支護(hù)設(shè)備。工作面長(zhǎng)355.6m，實(shí)選207臺(tái)鄭煤機(jī)ZY-12000/20/40D型掩護(hù)式液壓支架支護(hù)。

移架的動(dòng)作順序：降架→移架→升側(cè)護(hù)板→升柱。正常情況下，一律采用立即支護(hù)的方式支護(hù)，工藝流程：割煤→移架→推溜。在采煤機(jī)后滾筒3～5架外立即移架先支撐暴露的頂板，滯后采煤機(jī)后滾筒10～15m推溜。

二、壓力顯現(xiàn)情況

1.留巷與掘巷期間的巷道壓力顯現(xiàn)基本情況

（1）52403沿空留巷時(shí)巷道壓力顯現(xiàn)情況。

①混凝土強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)滿足采高3.5m、日推采15m條件下礦壓顯現(xiàn)的要求。

②墻體壓力。觀測(cè)所得的墻體應(yīng)力為4.6MPa；考慮應(yīng)力集中等因素，取測(cè)力計(jì)最大值的70%所計(jì)算的墻體應(yīng)力作為參考，修正后的墻體應(yīng)力為17.8MPa，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度與墻體應(yīng)力基本匹配。

③頂?shù)装逡平俊蠊ぷ髅?0～150m時(shí)，巷道變形穩(wěn)定，滯后單體支護(hù)范圍為80～150m，壓力較小時(shí)滯后支護(hù)80m，壓力較大時(shí)滯后支護(hù)150m。

④錨索工作阻力最大達(dá)18.4噸，錨索受力加載比較平緩，且老頂厚，表明留巷頂板以整體變形為主。

⑤墻體錨栓受拉觀測(cè)結(jié)果。墻體在滯后工作面30m左右來(lái)壓，表明留巷頂板懸臂梁結(jié)構(gòu)在滯后工作面30m時(shí)發(fā)生二次破斷。

⑥總體來(lái)看，留巷壓力較小，沿空留巷周期來(lái)壓跡象不明顯，支護(hù)效果良好，巷道穩(wěn)定；留巷滿足作為50402工作面膠帶順槽的要求。

（2）52402沿空掘巷時(shí)巷道壓力顯現(xiàn)情況。

①墻體壓力。使用壓力檢測(cè)儀器對(duì)砼墻進(jìn)行檢測(cè)，分別設(shè)置1、2、3和4號(hào)墻體受測(cè)。經(jīng)檢測(cè)，距離工作面300m以內(nèi)時(shí)，墻體壓力變化較為明顯，表明圍巖活動(dòng)劇烈程度較為明顯，但墻體沒(méi)有明顯結(jié)構(gòu)破壞，表明圍巖活動(dòng)強(qiáng)度不是很大。

②錨索工作阻力。滯后工作面約300m以后時(shí)，錨索工作阻力基本穩(wěn)定，錨索最大受力達(dá)15噸。

③巷道變形。切眼至1550m，巷道變形較小，1550m至工作面貫通方向，煤幫片幫及頂板下沉較為明顯；巷道總體變形小，兩幫移近量約100mm，頂板最大下沉約100mm。

2.工作面回采期間壓力顯現(xiàn)基本情況

（1）礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

①?gòu)?qiáng)制放頂方案及效果。工作面推進(jìn)7m后，實(shí)施了深孔預(yù)裂爆破，工作面頂板全部冒落，支架后部充填嚴(yán)實(shí)。頂板垮落效果較好。

②初次來(lái)壓規(guī)律。52402綜采工作面初采期間，綜采工作面推進(jìn)到53m時(shí)，40#～110#支架段老頂突然來(lái)壓明顯，支架壓力明顯增大；隨著推進(jìn)至73m時(shí)，110#～207#支架段老頂突然來(lái)壓明顯，支架壓力明顯增大。得出，52402綜采工作面的初次來(lái)壓垮落步距為110#架至機(jī)頭段為53m，110#架至機(jī)尾段為73m（不含切眼）。

老頂初次來(lái)壓期間，工作面煤壁較軟，工作面及兩順槽煤壁有明顯片幫現(xiàn)象，運(yùn)順、輔運(yùn)柔模砼墻出現(xiàn)壓碎、鼓包，頂板下沉明顯達(dá)到200～500mm，兩端頭壓力明顯增大。

運(yùn)順來(lái)壓周期步距為5m左右，每次來(lái)壓持續(xù)4m左右，壓力達(dá)到303～477bar，立柱安全閥開(kāi)啟；柔模砼墻出現(xiàn)壓碎、鼓包，頂板下沉明顯達(dá)到200～500mm，兩端頭壓力明顯增大。

輔運(yùn)來(lái)壓周期步距為4～10m左右，每次來(lái)壓持續(xù)1.6～3.2m左右，壓力達(dá)到303～510bar，立柱安全閥開(kāi)啟；柔模砼墻出現(xiàn)壓碎、鼓包，頂板下沉明顯達(dá)到200～500mm，兩端頭壓力明顯增大。

兩順槽懸頂面積較大，不能及時(shí)垮落。

輔運(yùn)3臺(tái)超前支架壓力顯現(xiàn)正常，沒(méi)有出現(xiàn)大于300bar的數(shù)值。

（2）礦壓顯現(xiàn)及巷道高度變化。

①工作面初次來(lái)壓。工作面推進(jìn)65m左右時(shí)頂板初次來(lái)壓，掘巷超前工作面3m處柔模混凝土墻體自2.5m以上結(jié)構(gòu)破壞，破壞長(zhǎng)度2m左右。滯后工作面采空區(qū)柔模混凝土墻體結(jié)構(gòu)未完全破壞，采空區(qū)巷道懸頂約30m。

②工作面老頂來(lái)壓。工作面推進(jìn)距切眼135m處老頂來(lái)壓，動(dòng)載系數(shù)為1.8。老頂來(lái)壓時(shí)沿空留巷超前工作面20m開(kāi)始，墻體噴漿發(fā)生明顯片幫，超前工作面3m，混凝土墻體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯破壞。沿空掘巷墻體超前工作面60m內(nèi)墻體噴漿發(fā)生小面積片幫，超前工作面3m，混凝土墻體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯破壞。采空區(qū)墻體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，傾斜但未完全倒塌，巷道懸頂垮落。

首次老頂來(lái)壓時(shí)，工作面機(jī)頭段煤壁受采場(chǎng)支承壓力影響范圍為80m，煤壁片幫較為嚴(yán)重，工作面機(jī)尾段煤壁受采場(chǎng)支承壓力影響范圍為20m，煤壁片幫較為嚴(yán)重。未來(lái)壓時(shí)，工作面機(jī)頭段煤壁受采場(chǎng)支承壓力影響范圍為20～30m，機(jī)尾段片幫不明顯。

工作面支架壓力實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)顯示，首采老頂來(lái)壓期間，工作面液壓支架工作阻力平均為400～450bar。未來(lái)壓情況下，工作面液壓支架工作阻力平均為250～300bar。

③回采巷道高度變化。

沿空掘巷。超前工作面20m范圍內(nèi)，墻體噴漿大面積剝落，頂板下沉明顯，平均為400mm；超前工作面25～35m范圍內(nèi)緩慢下沉，平均為350mm；超前工作面35m以外，頂板下沉不明顯，巷道兩幫及頂板未被破壞。

沿空留巷。超前工作面10m內(nèi)，墻體結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重，頂板下沉明顯，平均為600mm左右；超前工作面10～15m以外，頂板下沉不明顯，巷道兩幫及頂板未發(fā)生明顯破壞。

綜上分析，沿空掘巷超前工作面20～30m頂板開(kāi)始有明顯下沉，沿空留巷超前工作面15m頂板開(kāi)始有明顯下沉。

④工作面兩巷超前壓力顯現(xiàn)范圍及劇烈程度。

沿空掘巷。超前工作面20m范圍內(nèi)為應(yīng)力急增區(qū)：墻體噴漿大面積剝落，頂板下沉明顯，平均為400mm；超前工作面2 5～35m范圍內(nèi)為應(yīng)力升高區(qū)：頂板緩慢下沉，平均為350mm；超前工作面35m以外為應(yīng)力緩升區(qū)：頂板下沉不明顯，巷道兩幫及頂板未被破壞。

沿空留巷。超前工作面10m以內(nèi)為應(yīng)力急增區(qū)：墻體結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重，頂板下沉明顯，平均為600mm左右；超前工作面10～20m以內(nèi)為應(yīng)力緩升區(qū)：頂板下沉不明顯，兩幫及頂板未發(fā)生明顯破壞。

3.留巷和掘巷圍巖結(jié)構(gòu)特征的不同對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響

留巷和掘巷在柔模混凝土墻體澆筑順序不同、成巷順序不同和采場(chǎng)上覆巖層破斷特征不同3個(gè)主要因素的共同影響下，導(dǎo)致留巷和掘巷圍巖結(jié)構(gòu)的不同，從而決定了其礦壓顯現(xiàn)特征，具體分析如下。

掘巷因?yàn)橄葷仓崮；炷翂w，墻體強(qiáng)度高、剛度大，相當(dāng)于上覆巖層斷裂時(shí)一側(cè)有強(qiáng)支撐，上覆圍巖破斷穩(wěn)定之后，再掘進(jìn)成巷。而留巷是先成巷，再在工作面后方老頂破斷之前澆筑柔模混凝土墻體，在柔模混凝土墻體的支撐下老頂破斷穩(wěn)定，相當(dāng)于在老頂破斷形成懸臂梁前，在中間施加了一強(qiáng)支撐，留巷整體支護(hù)剛度小于老頂沿墻體切斷的剛度，最后在采空區(qū)形成較長(zhǎng)懸頂，即留巷圍巖結(jié)構(gòu)。

遵循綜采上覆巖層O-X破斷規(guī)律及上述留巷與掘巷在成巷順序?qū)е碌母矌r破斷特征不同，分析得出：留巷采空區(qū)懸頂長(zhǎng)度相比掘巷采空區(qū)懸頂長(zhǎng)度要長(zhǎng)；留巷煤體內(nèi)的老頂破斷長(zhǎng)度相比掘巷煤體內(nèi)的老頂破斷長(zhǎng)度要小。

相應(yīng)的兩側(cè)支承壓力曲線表現(xiàn)為：

（1）留巷支承壓力從采空區(qū)懸頂斷裂處開(kāi)始向工作面一側(cè)傳遞，更多的承受52403工作面采空區(qū)覆巖壓力，所以其支承壓力峰值偏向巷道頂部，且應(yīng)力峰值相比掘巷應(yīng)力峰值要高，曲線向工作面延伸的也遠(yuǎn)，而后恢復(fù)至原巖應(yīng)力。

（2）掘巷支承壓力從采空區(qū)懸頂斷裂處開(kāi)始向工作面一側(cè)傳遞，因?yàn)榫蛳锊煽諈^(qū)的懸頂長(zhǎng)度較小，較少的承受52403工作面采空區(qū)覆巖壓力，且掘巷覆巖在煤體內(nèi)斷裂的較深，所以其支承壓力峰值偏向工作面深部且應(yīng)力峰值相比留巷應(yīng)力峰值要小，曲線向工作面的延伸相比留巷較近，而后恢復(fù)至原巖應(yīng)力。

所以，留巷的礦壓顯現(xiàn)表現(xiàn)為：回采時(shí)超前墻體結(jié)構(gòu)破壞較掘巷嚴(yán)重，頂板下沉明顯、頂板回轉(zhuǎn)變形較為明顯，墻側(cè)下沉比煤幫明顯，工作面煤壁片幫影響范圍較長(zhǎng)；掘巷的礦壓顯現(xiàn)表現(xiàn)為：回采時(shí)超前正幫片幫相比墻體結(jié)構(gòu)破壞較為明顯，頂板變形表現(xiàn)為整體下沉，工作面煤壁片幫影響范圍較小。

三、結(jié)論

榆家梁煤礦52402工作面于2017年8月順利安全回采完畢。通過(guò)對(duì)榆家梁煤礦開(kāi)采的52煤層52402無(wú)煤柱孤島長(zhǎng)壁綜采工作面回采經(jīng)驗(yàn)的研究，對(duì)工作面及順槽支護(hù)實(shí)踐進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支護(hù)效果進(jìn)行研究總結(jié)，取得的成功經(jīng)驗(yàn)可為類似地質(zhì)條件下無(wú)煤柱綜采工作面的安全回采及其液壓支架選型提供參考依據(jù)。