經紡礦3-802工作面過空巷礦山壓力分析及防治措施

李士杰

(山西省長治經坊煤業有限公司，山西 長治 047100)

我國由于諸多歷史原因，采用的房柱式、巷柱式等不規范開采方法及小煤窯開采，導致了大量資源破壞及浪費。現階段通過長壁開采法來回收這些資源時，工作面回采時不可避免地要與存留的空巷交會。由于空巷的圍巖性質極差，在工作面推進到巷道附近時煤柱破碎，嚴重破壞頂板的穩定性，對礦井的高產高效帶來嚴重威脅[1-6]。本文基于經坊礦3-802工作面工程地質條件，對工作面過空巷時圍巖的應力及破壞特征進行研究分析。

1 工程概況

本文的研究對象為經坊礦3-802工作面，該工作面采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤工藝回采，采用全部垮落法管理頂板，工作面走向長度1 170 m，傾向長度213 m.北側鄰近3-803工作面(已采)，南側鄰近礦界保安煤柱和華昇榮煤礦采空區，西側鄰近陶清河河道，東側與八采區軌道、回風巷相連通。地面標高+921～+945 m，工作面底板標高+490～+570 m；所采3號煤層厚度5.9～6.3 m，平均6.2 m；煤層傾角2～8°，平均5°；煤為黑色，塊狀、粉末狀，以亮煤為主。工作面煤層頂底板情況如圖1所示。瓦斯絕對涌出量11.04 m3/min，瓦斯相對涌出量2.45 m3/t，具有爆炸性，不易自燃。

圖1 煤層頂底板巖性

根據3-802綜采工作面采掘情況，工作面回采至445 m處時，94號液壓支架至95號液壓支架處揭露空巷。空巷沿底板掘進，空巷為矩形，斷面為8.4 m2(3 m×2.8 m)，長度為161 m，采用玻璃鋼錨桿+塑料網+錨索支護。工作面及空巷位置見圖2.

圖2 工作面及空巷位置圖

2 工作面頂板斷裂位置

工作面推進時，隨著頂板暴露的面積不斷增大，直接頂將在達到彎矩最大位置處發生初次斷裂；之后隨著工作面的不斷推進，基本頂即發生周期破斷。空巷條件下基本頂發生破斷的位置[7]可以分為三種：①基本頂斷裂位置位于空巷前方的實煤體當中；②基本頂破斷位置位于空巷上部；③基本頂破斷位置位于煤柱上方，如圖3所示。破斷位置的不同對空巷的影響有很大差異，當斷裂線位于煤柱和空巷上方時，關鍵塊體的回轉會對空巷產生強烈的影響，空巷圍巖破壞嚴重；當斷裂線位于實體煤上方區時，關鍵塊體空巷位于應力降低區，空巷圍巖穩定性好。空巷上覆蓋結構見圖3.

工作面前方頂板的斷裂位置大致為工作面超前支承壓力峰值位置，參考文獻[8]求得頂板的斷裂位置為：

(1)

3 數值模擬

3.1 數值模型構建及方案

本文基于3-802工作面的煤層地質條件，利用FLAC3D數值計算軟件研究該工作面過空巷前超前應力分布及空巷圍巖變形破壞特征。建立圖4所示的模型，模型沿走向長度為200 m、傾向100 m、高度55 m；模型的頂部施加均布載荷q=9.8 MPa，四周及底邊固定位移，設定法向約束；工作面埋深度取430 m，側壓系數取1.2；各巖層采用的力學參數見表1，計算采用Mohr Coulomb強度準則，垮落帶采用雙屈服模型處理。

圖4 數值模型

表1 數值計算模型中的煤巖體力學參數

3.2 工作面回采下煤體應力

圖5為工作面推進不同距離時空巷與工作面前方煤體間的垂直應力分布曲線，工作面推進60 m時，空巷與工作面間煤柱應力曲線呈“馬鞍型”。工作面前方應力峰值約30 MPa，應力影響范圍約60 m，空巷基本不受工作面回采的影響。工作面推進85 m時，工作面前方應力峰值增加到約32 MPa，應力影響范圍與推進60 m時基本一致。工作面推進110 m時，空巷與工作面間煤柱應力曲線仍然呈“馬鞍型”，工作面前方應力峰值不再增加，此時空巷開始進入超前支承應力的影響范圍內，空巷兩幫應力有較小增加；工作面推進135 m時，煤柱應力曲線呈現單峰值，此時空巷兩幫應力明顯增大，均大于15 MPa；工作面推進150 m時，空巷處在超前應力峰值作用下，此時空巷兩幫應力出現陡增，左幫達到27 MPa，右幫達到25 MPa；工作面推進156 m時，空巷右幫處在超前應力峰值作用下，垂直應力進一步增加到28 MPa，而空巷左幫煤柱處在應力降低區內，應力值較低。說明工作面推進到空巷附近時，圍巖處在疊加高應力下。

3.3 工作面回采下空巷圍巖破壞特征

圖6為工作面推進不同距離下空巷圍巖塑性破壞情況。推進60 m時，由于空巷未收到超前應力的影響，塑性區分布與空巷掘進期間一致，幫部塑性區深度2.5 m，頂板塑性區3 m，底板1.75 m.推進85 m時，由于空巷受超前應力的影響較小，塑性區范圍增大，且開始呈不對稱分布，幫部及頂板塑性區深度不變，底板增大了0.5 m，但空巷左上角圍巖塑性區明顯增大。之后隨著工作面的持續推進，空巷的塑性破壞區不斷增加，推進135 m時，左幫塑性區深度6.5 m，右幫塑性區深度3 m，頂板塑性區4 m，底板塑性破壞深度不變，但破壞范圍更大。之后空巷在超前支承壓力峰值的影響下，空巷圍巖塑性破壞嚴重，塑性區與工作面塑性區貫通，空巷處在頂板斷裂線以內，將受到頂板斷裂塊體回轉影響，空巷變形劇烈。

4 工作面過空巷安全措施

工作面推進到靠近空巷時，由于空巷與工作面的煤柱較窄，受超前支承應力與空巷應力的疊加作用，煤柱處在破碎狀態而失去其承載能力，直接頂及老頂在空巷上方破斷，易導致頂板下沉，造成壓架事故，還會引起片幫、底鼓造成嚴重的安全事故，因此需要采取安全措施來保證工作面過空巷時的安全性。

4.1 過空巷期間前期準備工作

1) 拆除空巷密閉，對空巷進行瓦斯排放。

2) 空巷貫通前，工作面從90號液壓支架開始鋪設金屬網，隨工作面推進，金屬網逐步延伸至100號液壓支架，頂板破碎時鋪設雙層金屬網。鋪網要求：聯網采用16號鉛絲，短邊搭接300 mm，長邊搭接100 mm，雙邊雙聯、隔孔相連、雙絲雙扣，所有鋪設的金屬網必須撐緊、鋪平，不得出現墜包；移架工在移架過程中不準出現撕網現象。

3) 空巷采用玻璃鋼錨桿+塑料網+錨索支護，空巷貫通前對空巷進行超前支護，支護方法為：采用直徑不小于0.16 m、長度不小于3 m的圓木，配合1 000 mm×300 mm×100 mm的木質墊板垂直于空巷頂底板由外向里進行支設，每排支設2根，排距3 m，木點柱柱距1 m，距兩幫各1 m .打設點柱時要使頂部的垛板緊貼頂板，柱底要打在硬底上，打穩打牢，如遇底板松軟，必須“穿鞋”，柱鞋規格為300 mm×300 mm×100 mm.如空巷局部壓力增大，致使點柱受擠壓、變形、彎曲、柱體開裂等時要及時采取措施，加強該段支護。空巷臨時支護示意見圖7.

圖7 空巷臨時支護示意

空巷貫通后在空巷兩頭設置風障，切眼一側的風障在保證空巷支護完好的情況下隨工作面推進而不斷向外移動，以保證工作面風流符合要求，同時要將此區域內木料、鐵器等雜物清理干凈，確保空巷內無任何物料。

4.2 過空巷期間安全措施

1) 對空巷區域頂板及煤幫要進行檢查，發現問題及時處理。

2) 空巷及附近煤幫片幫嚴重時，要及時在支架護幫板上方上圓木維護頂板；煤幫滑坡時，片幫超過1個循環進度，要超前移架管理頂板；若超前移架后仍探不到煤幫，應根據現場情況使用單體液壓支柱(垂直煤幫)配合半圓木頂住煤幫防止片幫加深。如出現漏頂現象，必須在支架前梁上用圓木維護。進行漏頂區域架棚抬棚(上料)管理頂板時，需等待頂板穩定后，先清理好退路，然后按照“先兩邊后中間”的原則，對工作面破碎區域進行逐架架棚和上料維護頂板作業。

3) 過空巷期間，泵站壓力必須達到30 MPa,過空巷時，在頂板完好的情況下，支架前梁、前柱初撐力必須達到24 MPa，如頂板破碎時，視現場情況而定，要以保證支架平整度為主，不得強求支架初撐力而致使支架升得過高，活柱升脫。相鄰支架間不能有明顯錯差(不超過支架前梁的2/3)，支架不擠、不咬，架間空隙不超過100 mm.并且加強液壓系統的檢修維護，嚴禁支架帶病作業。空巷處移架時要帶壓移架，到位后要升緊所有立柱、千斤頂，保證支護效果。

4) 采煤機在過空巷時，要放緩采煤機速度，降低頂滾筒，防止滾筒將錨索托盤卷起造成托盤飛濺傷人，嚴禁損傷頂板網片。移架工在空巷區域移架時要及時帶壓移架，并及時打出護幫板護頂，防止空巷處頂板下沉。

5) 工作面空巷處冒頂、漏頂時，必須停止采煤，采煤機過空頂、漏頂區域前必須檢查采煤機前方的支架頂部瓦斯濃度，濃度<1%時，方可回采作業。工作面切眼內及采空區空頂超過0.5 m3、瓦斯濃度達到0.8%時，必須停止作業，采取措施處理。

6) 過空巷期間密切關注上隅角及工作面瓦斯變化情況，由瓦斯員對后溜、架間、人行道、機道及空巷揭露處前后5組支架的瓦斯進行檢測，任何一處瓦斯濃度超過0.8%時，必須停機處理。發現瓦斯涌出異常應及時向通風調度匯報，根據指示進行處理。

5 結 語

1) 本文以經坊礦3-802工作面的煤層地質條件，分析了工作面過空巷時頂板斷裂位置對空巷圍巖穩定的影響，通過FLAC3D數值模擬軟件分析了工作面推進過程中空巷與工作面之間煤柱的應力分布及空巷圍巖塑性區的分布變化。結果顯示，工作面離空巷越近，煤柱的疊加應力越大，煤柱破壞失去承載力，導致空巷塑性破壞變形越嚴重。

2) 為了防止工作面靠近空巷時發生安全事故，給出了空巷進行臨時支護的方案，并對過空巷期間頂板及瓦斯控制提出了安全措施，保證工作面過空巷期間的安全生產。