綜放工作面過空巷技術研究與實踐

閆騰騰

(山西西山煤電股份有限公司 西曲礦,山西 古交 030200)

由于歷史小煤窯無序開采或工作面布置及接續等原因,后期工作面推采過程中常常遇到過空巷的情況。長壁工作面過空巷一直以來是回采過程中的難題,往往會減緩推進速度、延長循環周期、頂板來壓顯現,對頂板控制、巷道支護等都是極大考驗,如果處理不得當、不及時,容易造成惡性循環。因此,有必要對回采工作面的過空巷規律和經驗進行總結,保證安全生產。本文在分析西曲礦28307工作面過空巷期間的技術措施,通過28307綜采面順利完成過空巷并貫通的實踐,優化了空巷內支護方案,并通過調斜、提前觀察周期來壓、加快組織生產等措施,確保了綜采工作面安全、順利、快速地通過空巷。

1 工作面及空巷概況

西曲礦28307工作面主采8#煤層,煤層厚度為3.8 m～4.4 m,平均厚度4.2 m,煤層厚度穩定。8#煤層整體西南傾向,煤層傾角1°～11°,平均傾角4°。煤層結構簡單,中部普遍含有一層泥巖夾矸,夾矸厚度變化不明顯。煤層直接頂為石灰巖,厚度平均3.85 m,直接底為中粒砂巖,厚度平均2.08 m。28307工作面地表蓋山厚度為180 m～226 m,且無公路及建筑物。工作面北部為28405工作面采空區,南部為983運輸大巷,西部為28308掘進工作面。距工作面上部約78 m為2.3#煤層的22301、22302、22303工作面采空區;距工作面上部約65 m為4#煤層的24302、24303工作面采空區。各工作面均留設保護煤柱,且對8#煤層回采無影響。

28307工作面在設計時,考慮到E2347陷落柱對工作面推進的影響,設置了外切眼進行回采,如圖1所示。但是在工作面的回采過程中,為保障工作面安全高效的推進,需要過空巷道,28307補切眼長度31 m、高度5 m、寬度7 m;28307過完無炭柱(無煤柱沿工作面推進方向30.2 m,影響最大范圍12架)后剩余約9 m割透空巷。

圖1 空巷情況Fig.1 Abandoned roadway

2 工作面過空巷基本頂破斷特征及礦壓分析

2.1 基本頂斷裂特征

隨著28307綜放工作面逐漸向前推進,工作面和空巷之間的煤柱寬度逐漸減小,如圖2所示，超前支承壓力的作用使得煤柱易破碎、變形,進而增加基本頂B在空巷上方斷裂的可能性,形成圖2-b中的結構,造成頂板壓力的突然增大,頂板礦壓劇烈顯現[1-4],增大風險事故的發生,因此避開28307綜放工作面上覆基本頂的周期來壓和保證空巷有足夠的支護強度是順利通過空巷的關鍵因素[5]。

2-a 基本頂斷裂前

2-b 基本頂斷裂后圖2 基本頂過空巷受力分析示意圖Fig.2 Stress analysis when main roof passing through the abandoned roadway

2.2 工作面周期來壓

28307工作面基本頂周期來壓情況如表1所示。

表1 周期來壓匯總表Table 1 Periodic weighting

由表1可知,28307綜放工作面基本頂的周期來壓步距約為25 m。當工作面距離空巷60 m時,基本頂大約會發生2次周期來壓,因此當綜放工作面距離空巷10 m時,要采取加快工作面推進的方法,避免基本頂發生周期來壓對工作面過空巷產生影響,從而使工作面順利通過空巷[6]。

2.3 支架下沉量監測

12月26日28307綜放工作面與外切眼煤柱距離為12 m;12月27日28307綜放工作面與外切眼煤柱距離為6 m;12月28日28307綜放工作面與外切眼煤柱距離為4.5 m。

28307工作面每3架液壓支架布置1個測點,共計7個支架,記錄液壓支架立柱紅色邊沿到支架頂部行程的距離,單位cm,共觀測4個班的數據,如圖3所示。

相鄰兩個生產班液壓支架立柱的下沉量的變化如表2所示。12月26日與12月25日相比,液壓支架的立柱下沉變化不大,觀測范圍內立柱的最大下沉量為22 cm,最小下沉量僅為-5 cm,整體范圍內液壓支架處于動態穩定。在12月27日液壓支架立柱的下沉量較12月26日發生了明顯的變化,觀測范圍內立柱的最大下沉量為63 cm,最小下沉量為4 cm,在12月28日,觀測范圍內液壓支柱的下沉量均為負值,說明液壓支架的立柱發生回縮,此時28307綜放工作面基本頂發生周期來壓,當28307綜放工作面逐漸接近空巷,外切眼煤柱距離為4.5 m時,基本頂發生周期破斷,要密切關注支架的下沉,避免支架被壓死。

圖3 液壓支架立柱下沉量Fig.3 Sunk volume of hydraulic support

架號12月26日與12月25日比較/cm12月27日與12月26日比較/cm12月28日與12月27日比較/cm3-1463-206835-89-2236-34121019415-562-13181932-142164-10

注:正值為立柱伸出距離,負值為立柱回縮距離,統稱為立柱下沉量。

2.4 外切眼巷道變形觀測

外切眼、補巷和正巷共布置9個測點,其中1、2、3、4、8、9號測點布置在外切眼,5號測點布置在補巷,6、7號測點布置在正巷,觀測數值為巷道頂底板高度,單位m。12月27日隨著工作面的推進,7號測點因距工作面近,不再測量。空巷前工作面目前無構造。12月28日隨著工作面的推進,5、6號測點因距工作面近,不再測量。空巷前工作面無構造。外切眼巷道觀測高度如圖4所示。

圖4 外切眼巷道觀測高度Table 4 Observation height for external cutting in roadways

由圖4可知,隨著工作面的不斷推進,外切眼的巷道高度不斷減小,巷道頂、底板之間的下沉量達到100 mm,一部分單體液壓支柱鉆底量達到150 mm,一部分單體液壓支柱出現壓彎變形的現象,外切眼回采幫煤壁裂隙發育。因此,要特別注意外切眼內頂板的維護及回采幫煤壁的支護。

3 過空巷采取的措施

3.1 加強支護

28307工作面正巷采用錨索、工字鋼梁配合單體液壓支柱的支護方式。因此對28307補切眼補打錨索,錨索間排距為2 000 mm×2 000 mm,同時打設單體并加套工字鋼梁,棚梁垂直于28307綜放工作面,在棚梁下方打設單體,單體必須穿鞋,單體之間采用軟連接,另外在28307補切眼內距離無炭柱煤幫300 mm的位置打設長度為10 m的錨索,錨索間距2 000 mm,錨索與水平方向呈75°,28307補切眼巷道支護斷面如圖5所示。而在28307補巷靠近28307綜放工作面20 m范圍內打設單體并加套工字鋼梁維護,同時配合長度為4 m的礦用11#工字鋼棚梁,補巷超前維護段平面圖如圖6所示。

圖5 28307補切眼支護斷面Fig.5 Supporting cross-section of reinforcement cutting of No.28307 working face

圖6 補巷超前維護段平面圖Fig.6 Pre-maintenance section of reinforcement roadway

3.2 調斜工作面

一般情況下,采煤工作面過空巷期間,應將刮板運輸機調斜,盡量減少過空巷的揭露面積,調斜角度越大,空巷的揭露面積越小[7]。

為保證工作面兩端頭安全出口,防止運輸機竄頭或竄尾,工作面推進到離空巷30 m處時,調斜輸送機時決定先擺機尾,即機尾超前機頭往前推。輸送機擺動角度一般在4°～6°之間(擺動角度太大容易造成竄頭或竄尾)。工作面調斜驗算示意圖如圖7所示。

圖7 調斜驗算示意圖Fig.7 Slope adjustment checking

28307工作面長度為180 m,則刮板輸送機實際長度為184 m,其中機尾超出工作面長度為2 m,機頭超出工作面長度為2 m。

現假設機尾超前機頭9 m,由圖7關系可知,AB表示工作面長度180 m,AC表示機尾超前機頭9 m,根據勾股定理求得BC為180.22 m,則工作面輸送機調斜后長度變為180.22 m。與刮板輸送機調成最大角度的長度相比,180.22 m<184 m,調斜后的角度α為5°,滿足刮板輸送機性能,因此選擇9 m合理。

在工作面距離過空巷還有20 m時,調斜輸送機擺機頭,即機頭超前機尾往前推,盡量地減少過空巷的揭露面積,等過完空巷之后,再進行調正,恢復刮板輸送機原來的作業方式[8]。

3.3 工作面頂、底板的控制

由于空巷底板位置(為煤底)高于28307綜放工作面底板,高差為0.5 m～2 m,因此當工作面距離空巷20 m時,工作面要開始爬升留底。通過空巷時必須保證工作面底板同空巷一致。防止出現揭露空巷時工作底板與空巷底板形成負臺階而使生產不能順利進行[9]。

過空巷時,所有液壓支架保證完好,嚴密接頂,初撐力達到額定值,泵站壓力達到30 MPa。在空巷處監測到液壓支架最大工作阻力達32 MPa。過空巷時,工作面保證快速推進,減少在空巷下的停留時間,以免空頂大、時間長,造成漏頂事故[10]。

4 支護效果及改進建議

28307空巷過至剩余2 m～3 m時,頂板來壓顯現,出現滾幫和底鼓現象,部分單體鉆底超過500 mm。鑒于此次出現滾幫、鉆底等情況,考慮以后過空巷時,在空巷頂板穩定巖層打齊錨索,并加密單體液壓支柱(將后部間距1 m加密為0.8 m)，如圖8所示。并在過空巷前定期觀測頂板壓力情況,加強分析和預測頂板周期來壓,加快組織生產,以避開頂板周期來壓。

圖8 單體加密后的支護斷面Fig.8 Supporting cross-section after single component density increased

5 結論

根據以西曲礦28307綜放工作面過空巷的工程實際為背景,通過對28307綜放工作面進行礦壓觀測,提出工作面過空巷時應該采取的措施，得出如下結論:

1)通過對工作面基本頂進行礦壓觀測,得到基本頂周期來壓步距約為25 m,因此在工作面距離空巷60 m時要采取加快工作面推進的方法來避免基本頂周期來壓對工作面過空巷產生的影響。

2)通過對液壓支架立柱下沉量進行觀測,當較大范圍內液壓支架立柱發生回縮時,要密切關注支架的下沉,避免支架被壓死。

3)通過對外切眼巷道變形進行觀測,當外切眼的巷道高度不斷減小且回采幫煤壁裂隙發育,要特別注意外切眼內頂板的維護及回采幫煤壁的支護。

4)通過現場的礦壓觀測,當工作面過空巷時,提出了加強支護、工作面調斜和工作面頂底板控制的方法,并對外切眼支護進行優化,取得了良好的效果。