大同礦區6～9 m厚煤層綜放回采巷道 臨空動壓變形與控制技術

白雁斌

(大同煤礦集團 云岡煤礦，山西 大同 037003)

回采巷道臨空動壓顯現現象是影響采煤工作面安全生產的世界性難題。受臨空動壓影響，巷道壓力顯現強烈，頂板下沉、底鼓、幫鼓、底板裂縫現象頻繁出現，嚴重時致使永久支護失效，超前支護折斷[1-5]。本文以大同煤礦集團馬脊梁礦C3號層8111工作面為背景，對6～9 m厚煤層綜放回采巷道臨空動壓變形問題進行研究，結合此前馬脊梁礦C3號層8103工作面在掘進和開采過程中的臨空動壓災害治理經驗，采用綜合治理措施解決了回采巷道臨空動壓變形難題。

1 工作面概況

馬脊梁礦C3號層 8111工作面，傾向長240 m，可采走向長2 357.5 m，煤層厚度6～9 m，是馬脊梁礦石炭系第三個生產工作面。該工作面地面標高1 306～1 405 m、井下標高873～909.4 m。煤層結構較復雜，含3～5層夾矸，厚0.10-2.03 m，煤層頂底板情況見表1。煤層平均傾角2.5°，煤種為長焰煤。5111巷往外531 m為實煤區，531 m往外至停采線為相鄰8101工作面采空區(已封閉2年)，煤柱30 m，工作面布置見圖1。

表1 煤層頂底板情況

2 回采巷道臨空動壓顯現特點

C3號層 8111綜放工作面臨空巷超前支護段受本工作面采動影響，工作面的超前支承壓力較大，且影響范圍超過一般綜采工作面。與此同時受到相鄰8101工作面采空區頂板垮落不充分所帶來的集中應力影響，致使5111巷超前支護段附近的煤巖體出現較高應力區，頻繁出現強礦壓顯現。5111巷超前應力分布，見圖2。

圖1 8111工作面布置

圖2 8111工作面5111巷超前應力分布

3 綜合治理措施

依據8111工作面5111巷超前應力分布規律，結合馬脊梁礦8103面開采臨空巷道的頂板管理情況及借鑒兄弟礦臨空巷道管理經驗，在5111巷頂板管理上采取了以下控制技術。

3.1 巷道掘進期間

在巷道掘進期間，考慮鄰空壓力的影響，在支護上相比非鄰空巷道進行了強化支護。具體如下：

將工作面側的護幫支護由塑料網玻璃鋼錨桿(非鄰空巷道)加強為菱形金屬網螺紋鋼錨桿，頂板支護由(鋼帶+錨桿)+(鋼帶+錨桿+錨索)+金屬網支護加強為(鋼帶+錨桿)+(11號工字鋼梁+錨索)+金屬網支護。

3.2 開采過程中

在工作面開采過程中針對5111巷臨空壓力顯現又采取以下四方面的具體措施：

3.2.1 加強超前支護

從初切眼至距臨空區50 m前(2 481～2 001 m)，采用三排單體柱配1.2 m長π型梁進行支護，梁與巷道垂直。單體柱距0.8 m，排距1.5 m，單體柱采用DW45-250/100X型，支護距離為50 m。

從進入臨空區50 m前至開采結束(2 001 m-停采段)采用木垛配合單體柱的方式加強支護，單體柱的支護方式由原“三梁三柱”變為“五梁五柱”即五排單體柱配合1.2 m長π型梁，梁與巷道垂直，單體柱采用DW45-250/100X型，柱距為0.8 m，排距從煤柱側向工作面幫側依次為0.8 m、0.8 m、0.8 m、1.5 m、0.4 m和0.8 m，其中間距1.5 m處為人行通道，支護距離加強為90 m。同時在靠煤柱幫側(靠8101工作面側)和靠工作面幫側各支設一排木垛，其中靠煤柱幫側支設的木垛采用規格為寬×厚×長=150 mm×150 mm×2 000 mm的方木，木垛與木垛中心距為6 m，支護距離不小于240 m，靠工作面側支護的木垛采用規格為寬×厚×長=150 mm×150 mm×1 400 m的方木，木垛與木垛中心距為6 m，支護距離不小于90 m，兩排木垛呈三花交錯布置，隨工作面推進回撤并前移支設。

3.2.2 卸壓孔泄壓

從進入臨空區50 m處(1 900 m)實施了卸壓孔措施，對煤柱側煤柱進行卸壓治理，以弱化煤柱強度，減少臨空壓力對巷道底板的壓力傳遞，從而實現減少底鼓。具體方案為：在5111巷兩幫距底板1 m至2 m，按間排距1 m三花布置，用直徑為108 mm的鉆頭施工兩排深度為10 m的卸壓孔，見圖3。

圖3 卸壓孔布置

3.2.3 水壓致裂

在5111巷1 900 m處綜合實施了水壓致裂，利用水壓致裂對鄰空(8101面的采空區)頂板進行人為斷裂，達到對5111巷鄰空巷道頂底板卸壓目的，以降低鄰空壓力，從而實現減少5111巷頂板下沉、底板鼓起、巷幫回縮量。具體方案為：

垂直于煤柱側巷幫，距底板2.0 m處，以仰角26°斜向8101采空區方向施工一排水壓致裂鉆孔，鉆孔深度28.4 m，鉆孔間距20 m，施工時根據現場鉆機的安設及打鉆方便進行小幅調整。鉆機型號為ZYJ-400/135型架柱式鉆機。水壓致裂鉆孔直徑為50 mm。鉆孔布置見圖4。

圖4 水壓致裂鉆孔布置

3.2.4 CO2致裂

在5111巷1 300 m處進行CO2致裂切頂卸壓試驗，利用CO2由液態向氣態瞬間轉化的能量對鄰空側的頂板進行致裂，以期達到切斷鄰空頂板，減輕或消除鄰空區懸板對5111巷頂板壓力，從而實現治理巷道的頂板下沉、底鼓、炸幫現象。具體施工時，在5111巷靠近煤柱一側的巷道頂板處，布置一排CO2致裂鉆孔，在肩部錨桿和鄰近頂板錨桿之間開口。鉆孔排距1.5 m，鉆孔深度16.5 m，角度70～80°，致裂孔孔徑56 mm，觀察孔孔徑65 mm，每隔一個鉆孔CO2致裂爆破一次。每個致裂鉆孔安裝6個CO2致裂器，孔底向外的12 m為致裂段，孔口向里的4 m為保護段，采用大串聯一次起爆的方法進行致裂，每次起爆一個鉆孔。致裂鉆孔布置見圖5。

圖5 CO2致裂鉆孔布置

4 治理效果

通過采取以上綜合治理措施，2017年1月～2018年2月期間，8111工作面累計采出600多萬t優質動力煤，安全高效無事故，創造了良好的經濟和社會效益。雖然在開采過程中，5111巷也有頂板下沉、底鼓、片幫現象，但相對8103工作面5103巷鄰空礦壓顯現有極大的改善。5103巷在開采期間由于底鼓頂板下沉導致巷道高度由原來的3.7 m降低至1.3 m，巷道寬度由5.4 m縮減為3.6 m。現在的5111巷在工作面往外20 m范圍內最低巷道高度為1.9 m，寬度為4.6 m，說明8111工作面5111鄰空巷變形通過綜合治理措施有明顯效果。該經驗值得在類似條件的放頂煤工作面推廣。

5 結 語

1) 針對大同礦區石炭系6～9 m厚煤層綜放工作面回采巷道受臨空動壓影響變形問題，以馬脊梁礦石炭系C3號層8111工作面為背景，采用應力分析與現場觀測相結合的方法，得出臨空巷道超前應力分布規律。

2) 依照臨空巷道超前應力分規律，并結合此前馬脊梁礦C3號層8103工作面在掘進和開采過程中的臨空動壓災害治理經驗，提出了“加強超前支護+打卸壓孔+水壓致裂+CO2致裂”的綜合控制技術并付出實踐，取得了良好效果。該研究為大同礦區石炭系6～9 m厚煤層綜放安全開采提供了理論和實踐指導，為同類型礦井提供了借鑒。