高應力綜采工作面快速過底板空巷技術研究

楊向浩，陳廣帥

(1. 霍州煤電集團 辛置煤礦，山西 霍州 031400； 2. 霍州煤電集團 技術研究院，山西 霍州 031400)

綜采工作面回采推進過程中經常會遇到通過老舊空巷的技術難題，遺留老舊空巷因長時間密閉通常造成原有支護實效，頂板破碎下沉、巷道變形等礦壓顯現現象，因此在過遺留老舊空巷過程中如何實現空巷頂板的有效管控是關鍵。工作面頂板控制的難易程度與空巷寬度、空巷冒落空間幾何尺寸以及空巷交匯角度有關，最困難的情況是工作面與空巷平行[1]. 張自政[2]通過采用高水材料充填空巷的方法，保證了空巷頂板的穩定性。曹義勇[3]通過在西曲礦過空巷實踐中加注馬麗散的方法，提高煤體自承力，控制巷道頂板垮落。鄭文翔[4]通過對空巷頂板穩定性分析，認為當工作面距空巷距離大于50 m時，巷道頂板穩定性不受采動影響。謝生榮等[5]提出了在過空巷合理的時空節點上采用停采等壓、注漿固結修復等綜合控制技術，解決了綜放工作面過空巷的相關技術難題。雖然通過加強空巷頂板支護強度能夠提高頂板穩定性，但投入成本及工時消耗較多，如何在控制成本的前提下高效快速通過老舊空巷仍是急需解決的難題。同時，長時間遺留的空巷在巷道變形和巷修過程中，造成巷道頂底板與煤層頂底板之間存在一定落差，如何實現綜采工作面過老舊空巷時的平穩過渡是急需解決的又一技術難題。

1 概 況

以某礦2-109 A綜采工作面過平行于切巷的老舊空巷為例，研究探討綜采工作面如何安全快速通過底板空巷。2-109 A綜采工作面位于該礦一采區中部，地應力測試表明，單軸抗壓強度為20～40 MPa，屬高應力區。

1.1 工作面概況

2-109 A綜采工作面走向長度975 m，切巷長度52 m，煤層厚度4.1 m，煤層傾角2°～10°，直接頂為泥巖、砂泥巖，厚度為0～7.5 m，基本頂為K8中細砂巖，厚度為6～8 m，底板為泥巖、中砂巖。

1.2 空巷情況

所過空巷為矩形巷道，巷道寬度3.5 m，高度3.6 m，巷道長度52 m，工作面所需通過空巷與工作面切巷平行，原有支護形式為錨桿、錨索聯合支護方式。2-109 A工作面示意圖見圖1.

1.3 存在問題

1) 由于空巷密閉時間較長，造成巷道圍巖壓力顯現，巷道頂板下沉變形，底板鼓起，兩幫出現不同程度回縮，部分區段頂板破碎嚴重，出現錨桿、錨索失效現象。

圖1 2-109 A工作面示意圖

2) 運輸巷煤層底板標高高于空巷巷道底板標高3 m，推進過程中如沿煤層底板推進，在運輸巷揭露空巷時，工作面切巷底板將高出空巷底板3 m.

2 工作面推進過程中對空巷圍巖影響分析

采用3DEC數值模擬軟件，根據2-109 A工作面具體地質條件建立數值模型。沿工作面走向方向，模型長80 m；沿工作面傾向方向，寬1 m；沿垂直方向，高40 m. 根據工作面地質條件，設定2-109 A工作面底板距離空巷底板垂直距離為3 m，分析工作面推進過程中底板空巷圍巖穩定情況，通過數值模擬計算，2-109 A工作面推至水平方向上距離空巷左幫20 m、10 m、5 m、0 m時空巷圍巖變形及應力情況見圖2，圖3.

圖2 工作面迎頭水平距離巷道左幫15 m、5 m、0 m時圍巖位移情況圖

圖3 工作面迎頭水平距離巷道左幫15 m、5 m、0 m時圍巖垂直應力分布情況圖

由圖2和圖3可以看出，當工作面推至水平距離空巷左幫15 m時，空巷頂板中部開始出現明顯破壞，巷道頂底板均出現明顯的塑性區，變形較大。隨著工作面的推進，空巷頂底板塑性區面積不斷擴大，工作面推至水平距離空巷左幫5 m時，空巷頂板出現大范圍的塑形破壞區，塑形破壞區深度在4～4.5 m，1～1.5 m內頂板開始逐漸破壞垮落。工作面推至空巷左幫頂部時，空巷頂板出現大范圍的變形、垮落。

由數值模擬結果可以看出，若工作面沿煤層一直向前推進，當工作面推至空巷左幫上部時，空巷頂板已經處于不充分垮落狀態。此時，工作面底板與巷道底板垂直距離為3 m，巷道底板上散落著頂板掉下的浮矸，致使工作面采煤機與支架無法通過，而且存在空頂作業的風險。所以要采取必要的措施，重新規劃采煤工藝，保障工作面在安全生產的前提下正常回采。

3 工作面過空巷技術措施

3.1 加強空巷支護強度

在工作面距離空巷100 m，空巷頂板未受采動壓力傳遞影響前，使用方木在空巷支設木垛，在頂板離層破碎處采用補打錨索等方法提前進行支護，保證空巷支護強度，有效防止空巷頂板在受到采動影響下進一步出現頂板離層下沉破壞。空巷木垛支設示意圖見圖4.

圖4 空巷木垛支設示意圖

木垛緊貼巷幫交錯布置，每隔2.5 m搭設一木垛。搭設木垛所用方木為1 200 mm×180 mm×200 mm和1 200 mm×180 mm×200 mm的長方木，呈井字型搭設，在基本支護的下方順巷碼放底層，然后再垂直于巷道方向在底層上碼放第二層，按此順序一層一層地碼到接緊頂板為止。在靠頂板的二或三層間各角打好加緊楔子。在回采過程中，當工作面揭露空巷時，對空巷支設木垛進行逐步拆除回收，實現回采溜子順利推移，支架有效控頂。

3.2 工作面調斜

空巷在回風巷口處超前運輸巷巷口5 m，在工作面推進過程中，根據工作面煤層傾向角度對工作面進行調斜，使回采機尾超前5 m推進，確保工作面在回采機尾處首先揭露空巷。采取工作面調斜的方式揭露空巷，能夠減小空巷揭露面積，同時有效防止推進過程中回采溜子出現下滑，在回采機尾支架推移護頂后再逐步向前揭露，防止一次性揭露空巷造成空巷頂板大面積空頂引起頂板垮落事故。

3.3 加快工作面推進速度

為確保工作面通過空巷期間順利推進，防止工作面在揭露空巷后因發生機電事故造成工作面推進停滯，空巷頂板長時間空頂暴露，引起頂板事故，在工作面揭露空巷前對工作面液壓系統、采煤機、回采溜子等核心設備進行全面充分檢修，確保機電設備的完好運行及生產組織連續性。在工作面揭露空巷后，有計劃地縮短設備檢修時間，加快工作面推進速度，在工作面超前支承壓力未完全顯現釋放前順利通過空巷，緩和頂板變化，減小頂板下沉量。

3.4 工作面破底留頂煤

由于煤層賦存條件限制，空巷底板標高低于煤層底板標高3 m，如沿煤層底板推進，當工作面回采機頭處揭露空巷時，工作面回采溜子、液壓支架底座將處于空巷底板之上。因此，為確保工作面綜采設備平穩安全過渡，在工作面推進過程中提前對工作面留頂煤破底，逐步降低切巷底板標高，同時提前在工作面備用道木，在揭露空巷時如出現切巷底板標高高于空巷底板標高時，通過在回采溜子、支架底座下方墊設道木，填充浮渣，保證工作面回采溜子、液壓支架的平穩過渡。

4 結 論

通過對高應力條件下快速通過大斷面老舊空巷技術的研究，實現了開采技術創新在現場實踐中的成功應用，有效延長了回采工作面長度，對于提高煤炭資源的開采率具有重要意義，同時在生產過程中積累了綜采工作面快速過空巷的經驗：

1) 通過提前在空巷內搭設木垛，能有效防止空巷頂板在揭露前發生進一步離層下沉，起到對空巷頂板的有效管控。

2) 當工作面與空巷平行時，推進過程中對工作面進行調斜，使工作面逐步揭露空巷，減小工作面與空巷的交匯角度，防止空巷頂板巖層與工作面平行斷裂。

3) 通過提前對工作面機電設備及液壓系統的檢修，在揭露空巷期間加快工作面推進速度有效緩和頂板變化，減小頂板下沉量，保證工作面順利通過空巷。

4) 通過提前采用破底留頂煤的方式降低煤層底板標高，使綜采工作面實現在空巷底板落差達到3 m情況下的平穩過渡。