大采高工作面跨下部巷道開(kāi)采及支護(hù)技術(shù)研究

孟 敏

（霍州煤電集團(tuán)晉北煤業(yè)有限公司，山西 靜樂(lè) 035100）

0 引言

煤炭資源在漫長(zhǎng)地質(zhì)變化進(jìn)程中形成各種復(fù)雜的賦存狀態(tài)，在礦井開(kāi)采工作時(shí)根據(jù)煤層特殊的賦存條件設(shè)計(jì)安全有效的回采方案，盡管如此煤層開(kāi)采時(shí)還會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題。例如：礦井設(shè)計(jì)巷道布置于所需開(kāi)采煤層下部時(shí)，煤層的開(kāi)采對(duì)于下部巷道的穩(wěn)定性有一定的影響。由于工作面生產(chǎn)機(jī)械擾動(dòng)及頂板斷裂礦壓顯現(xiàn)等綜合因素的影響，此類工作面的開(kāi)采方案和相關(guān)巷道的支護(hù)都成為行業(yè)工作者所研究的重點(diǎn)課題。煤礦生產(chǎn)工作面礦壓顯現(xiàn)隨著頂板構(gòu)成巖性的特征和工作面生產(chǎn)工藝的不同會(huì)發(fā)生一定的改變，對(duì)于大采高工作面礦壓規(guī)律的研究可知隨著工作面開(kāi)采高度的增加頂板周期來(lái)壓急劇增大，通過(guò)提高回采速度將基本頂關(guān)鍵層的斷裂垮落帶滯留在后方采空區(qū)可有效緩解工作面受開(kāi)采動(dòng)壓的影響。礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中所開(kāi)拓的各種運(yùn)輸通風(fēng)巷道在生產(chǎn)工作時(shí)需要根據(jù)生產(chǎn)情況做臨時(shí)支護(hù)，當(dāng)工作面開(kāi)采產(chǎn)生的動(dòng)壓會(huì)影響整個(gè)采場(chǎng)中已有的巷道、保護(hù)煤柱、服務(wù)硐室等特殊區(qū)域時(shí)，圍巖應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生不規(guī)則變化，通常需要加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)保證其穩(wěn)定性，確保生產(chǎn)安全。

本文根據(jù)晉北煤業(yè)公司5-103回采工作面跨采下部集中軌道、皮帶巷道為研究背景，提出通過(guò)調(diào)整回采工藝及提高下部巷道臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度兩個(gè)方面來(lái)控制工作面開(kāi)采對(duì)周圍巷道穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

晉北煤業(yè)公司5-103工作面，為該礦井一采區(qū)第三個(gè)回采工作面，該工作面傾向長(zhǎng)度622m走向長(zhǎng)度180m，煤層賦存平均厚度5.1m屬于中厚煤層，煤層整體傾角5°～17°傾角較小，整個(gè)工作面可采5#煤儲(chǔ)量78萬(wàn)t，回采率93%。5-103工作面東北方為一采區(qū)回風(fēng)、皮帶、軌道大巷，西北方為該采區(qū)邊界，東南方為井田邊界，西南方與牛泥煤礦采空區(qū)相鄰。工作面上方蓋山厚度約為80～150m，其中巖層厚度約為23～53m，黃土層厚度約為67～76m，工作面埋深較淺，頂板受風(fēng)化及水侵蝕破碎較為嚴(yán)重。煤層上方直接頂為裂隙較為發(fā)育的灰黑色灰?guī)r，巖層中含有植物化石，平均厚度1.6m，老頂為6m厚的灰質(zhì)泥巖同樣裂隙較為發(fā)育，煤層下方直接底為5m左右厚的泥巖。在5-103工作面回采過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)整個(gè)一采區(qū)服務(wù)的軌道大巷和皮帶大巷，巷道位于開(kāi)采工作面下方，距離較近在回采經(jīng)過(guò)時(shí)對(duì)其穩(wěn)定性有嚴(yán)重影響。

2 工作面開(kāi)采跨巷道支護(hù)破壞機(jī)理

2.1 工作面開(kāi)采跨巷道位置研究

將5-103工作面兩條工作面巷道分別命名為5-1031和5-1032巷道，5-103工作面回采經(jīng)過(guò)下部軌道大巷和皮帶大巷。5-1031巷道與下部軌道巷層間距為13m，包括10.9m的泥巖和2.1m的煤層；5-1032巷道與下部軌道巷層之間相隔4m厚的5#煤層。5-1031巷道與下部皮帶巷層間距為12.7m，包括10.7m泥巖和2m的煤層；5-1032巷道與下部皮帶巷層間距為9.8m，包括7.9m泥巖和1.9m煤層。巷道位置如圖1所示。

圖1 開(kāi)采工作面與所跨巷道位置關(guān)系

2.2 工作面開(kāi)采跨巷道破壞因素分析

根據(jù)對(duì)同采區(qū)工作面開(kāi)采過(guò)程中巷道變形特征及圍巖地質(zhì)資料研究可知，該采區(qū)煤層埋深較淺，在上部地表降水、日曬風(fēng)化及整個(gè)采場(chǎng)作業(yè)產(chǎn)生的動(dòng)壓等共同作用下，工作面服務(wù)巷道和采區(qū)服務(wù)巷道的頂板與兩幫的穩(wěn)定性控制都是該礦井安全生產(chǎn)的主要威脅，概括分析工作面及采區(qū)大巷破壞的因素主要有以下幾個(gè)方面：

1）煤層埋深僅為100m左右，上層巖體受風(fēng)化及地表降水侵蝕較為嚴(yán)重，頂板巖層在長(zhǎng)期的風(fēng)氧化作用下內(nèi)部產(chǎn)生許多貫通且較大的裂隙帶，結(jié)構(gòu)裂隙較為發(fā)育，同時(shí)地表降水通過(guò)裂隙帶滲入侵蝕巖體使得巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低。

2）工作面頂板巖體破碎，頂板關(guān)鍵層破壞頻繁礦壓顯現(xiàn)劇烈，統(tǒng)計(jì)采區(qū)內(nèi)其他工作面頂板來(lái)壓特性可知，工作面老頂來(lái)壓步距為10m左右，老頂來(lái)壓時(shí)工作面支架工作阻力平均上升為30MPa，最大可達(dá)35MPa。

3）工作面選用ZY11000/24.5/50型兩柱支撐掩護(hù)式液壓支架，大采高工作面液壓支架支護(hù)強(qiáng)度較高，工作面支架初撐力較小時(shí)，頂板巖層充分變形，當(dāng)頂板的斷裂出現(xiàn)在支架前部時(shí)，頂板的沖擊動(dòng)壓通過(guò)支架傳遞至下部巷道頂板時(shí)可直接下部導(dǎo)致巷道的破壞，因此在工作面推進(jìn)跨下部巷道時(shí)需要通過(guò)優(yōu)化開(kāi)采工藝確保下部巷道穩(wěn)定。

3 工作面開(kāi)采跨巷道工藝優(yōu)化

3.1 上部工作面開(kāi)采工藝優(yōu)化

1）跨巷道前調(diào)整工作面來(lái)壓步距，在工作面即將到達(dá)下部巷道時(shí)，通過(guò)提前停采切頂改變工作面頂板垮落步距，使得工作面推進(jìn)至空巷上方時(shí)不會(huì)產(chǎn)生頂板周期垮落，保證工作面及下部巷道受動(dòng)壓影響最小。

2）連續(xù)開(kāi)采，5-103工作面在跨下部巷道開(kāi)采期間，工作面不安排停機(jī)檢修，在跨采之前安排檢查工作面所有設(shè)備運(yùn)行狀況，確保機(jī)械設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)。快速推進(jìn)工作面使得頂板關(guān)鍵層破壞出現(xiàn)在后部采空區(qū)，保證工作面下部巷道不會(huì)同時(shí)受采動(dòng)和礦壓沖擊共同作用。

3）適當(dāng)提高支架初撐力，在工作面跨下部巷道時(shí)，整體提高液壓支架初撐力，支架初撐力不得低于28MPa，較高的初撐力可控制頂板在煤層開(kāi)采過(guò)后裂隙的二次發(fā)育，頂板變形速度的降低也是控制周期來(lái)壓的有效途徑。

4）適當(dāng)降低回采高度，工作面開(kāi)采高度越大，上方頂板垮落充填采空區(qū)的高度就越大，當(dāng)工作面前推后頂板垮落產(chǎn)生的沖擊對(duì)下部巷道影響嚴(yán)重，降低采高可有效減小巷道受沖擊破壞。

5）調(diào)斜開(kāi)采，為了避免工作面液壓支架全部出現(xiàn)在下部巷道上方，對(duì)下部巷道產(chǎn)生較為集中的載荷，在工作面距離跨巷30m時(shí)調(diào)斜工作面布置，使得工作面在回風(fēng)巷道端超前運(yùn)輸巷道15m，調(diào)斜角度5°左右，工作面布置如圖2所示。

3.2 下部所跨巷道臨時(shí)支護(hù)工藝優(yōu)化

在回采過(guò)程中所需要跨過(guò)兩條采區(qū)巷道的長(zhǎng)度均為180m，其中軌道巷距離上部煤層較大區(qū)域采用錨桿錨索支護(hù)，巷道長(zhǎng)100m，巷道傾斜段距離上部煤層較大區(qū)域采用架棚支護(hù)，巷道長(zhǎng)80m，皮帶巷道156m的長(zhǎng)度支護(hù)方式為錨桿錨索支護(hù)，24m的長(zhǎng)度為架棚支護(hù)。錨桿錨索支護(hù)巷道寬4500mm，高2600mm，兩幫錨桿間排距700×1000mm，頂板錨桿間排距840×1000mm，錨桿長(zhǎng)度1.5m，頂板每排布置兩根錨索間排距1600×3000mm，錨索長(zhǎng)度7.3m。架棚支護(hù)段巷道上寬3.2m，下寬4.6m，高3.0m，巷道采用11#礦用礦用梯形工字鋼進(jìn)行支護(hù)，棚距間隔1m。整個(gè)巷道頂板及兩幫鋪設(shè)16#菱形金屬網(wǎng)。

工作面推進(jìn)至下部巷道上方時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，在采區(qū)軌道巷靠近上方5-1032巷道部分60m的范圍內(nèi)采用袋裝矸石配合高水材料進(jìn)行充填，施工方案如圖3所示，其它段巷道采用格為200×200×1200mm和200×200×2400mm兩種道木支設(shè)木垛，木垛排距為1500m，采用插花布置，錨桿錨索段巷道臨時(shí)支護(hù)如圖4所示，架棚段巷道臨時(shí)支護(hù)如圖5所示。

圖3 矸石加高水材料充填

圖4 錨桿錨索段巷道臨時(shí)支護(hù)方式

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

圖5 架棚段巷道臨時(shí)支護(hù)方式

通過(guò)實(shí)施上述開(kāi)采和支護(hù)方案，嚴(yán)格控制工作面開(kāi)采動(dòng)壓保證下部所跨采巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)工作面礦壓及巷道變形監(jiān)測(cè)，得到結(jié)果如下：

1）工作面推進(jìn)至下部巷道上方前通過(guò)調(diào)整來(lái)壓步距，距離開(kāi)采巷道上部煤層3m時(shí)產(chǎn)生最后一次關(guān)鍵層斷裂，工作面快速推進(jìn)，在跨過(guò)巷道3m后再一次周期來(lái)壓，此次周期來(lái)壓步距10m。

2）提高工作面液壓支架初撐力至28MPa，在工作面跨采巷道時(shí)液壓支架整體工作阻力提高5MPa，工作面運(yùn)輸和回風(fēng)巷道超前支撐單體立柱工作阻力增大到20MPa，對(duì)于支護(hù)后的巷道頂?shù)装鍧M足該條件下比壓。

3）監(jiān)測(cè)回采期間下部軌道與皮帶大巷頂板位移情況，在5-1031巷道下部軌道巷頂板下沉7.6mm，皮帶巷頂板下沉5.4mm，5-1032巷道下部軌道巷頂板下沉12.5mm，皮帶巷頂板下沉8.2mm，整體巷道穩(wěn)定性良好

5 結(jié)論

1）回采工作面經(jīng)過(guò)下部巷道時(shí)，當(dāng)工作面距離巷道較近時(shí)回采擾動(dòng)對(duì)巷道穩(wěn)定性影響較大，頂板構(gòu)成巖性、頂板周期來(lái)壓、液壓支架初撐力、回采工藝等都是影響巷道穩(wěn)定性的重要因素。

2）在工作面推進(jìn)經(jīng)過(guò)下部巷道時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)降低回踩高度、調(diào)斜工作面、連續(xù)開(kāi)采、提高初撐力、調(diào)節(jié)頂板周期來(lái)壓等優(yōu)化工作面回采工藝的方式，減小工作面回采對(duì)下部巷道的擾動(dòng)。

3）當(dāng)上部工作面回采經(jīng)過(guò)下部巷道時(shí)需要對(duì)巷道進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，巷道與煤層垂直距離小于10m時(shí)應(yīng)采用全部充填的方法保證巷道穩(wěn)定性。