塔山煤礦孤島工作面沿空二次掘巷技術應用

王 寧

（山西同煤大唐塔山煤礦有限公司，山西 大同 037006）

孤島工作面是指位于采空區之間形狀不規則的待采工作面，其臨近采空區區域煤柱應力集中，復雜的應力條件不僅給煤炭開采帶來困難，在工作面初期的巷道掘進過程中，巷道穩定性也受到嚴峻考驗。如何保證高應力條件下孤島工作面沿空掘巷的巷道穩定性，對于提高煤炭采掘安全，提高資源回收率具有重要的應用意義和推廣價值。本文以塔山煤礦孤島工作面5204-2巷道為研究對象，對孤島工作面沿空掘巷巷道的破壞機理及掘進方式展開研究。

1 工程背景

1.1 工程地質概況

塔山煤礦8204-2孤島工作面位于井田東南部、二盤區東北部，東鄰8202采空區，西南為8204采空區，西北部為F13810斷層，東南部為二盤區回風巷。8204-2工作面為“刀把”工作面，工作面可采走向長度1600m，傾向長度于采位1178m處工作面加寬63m，傾向長146～209m。3～5#煤層平均可采厚度12.56m，中夾2～9層夾矸，平均2.65m，單層厚度在0.15～6.81m間變化。5204-2巷為回風兼作材料、設備巷，矩形斷面，變煤柱段采用錨桿+錨索+JW鋼帶+組合錨索+金屬網支護，巷道長度1516.2m。巷道頂底板巖性特征見表1。

1.2 存在的問題

塔山煤礦3～5#聯合煤層二盤區5204-2巷474m～894m（420m）區域為煤柱變化段，煤柱最大為63m，最小為6m。5204-2巷壓力顯現明顯區域，距離頂板8～10m巖層存在破碎區域，在此區域鉆孔打錨索時，裝藥卷困難。該區域裝藥卷需反復透孔、送藥卷，耗時耗力。后期在里程664～670m的頂板采取超前預注粘接材料施工，頂板施工錨索上藥卷相對容易，由于煤層破碎，注粘接材料達不到預期效果，且由于注粘接材料后頂板局部密實，頂板壓力無法有效釋放，當壓力集中到一定程度時，頂板產生異響，存在安全隱患，于是取消了預注粘接材料的施工措施。嘗試注水泥漿加固頂板，嘗試多次后，水泥漿不易注入，后停注。5204-2巷工作面壓力顯現明顯，頻繁產生異響，片幫嚴重。5204-2巷施工緩慢，極大地影響了生產效率。

表1 煤層頂底板巖性特征

2 孤島工作面沿空掘巷巷道穩定性分析

8204-2工作面兩側為均已采空的孤島煤柱，其應力分布隨回采引起的支承壓力影響距離及工作面長度而變化。5204-2巷一側為8202采空區，中間間隔厚度變化的實體煤柱，另一側為待開采的8204-2工作面。8204-2工作面實體煤區域基本頂為固支條件，為關鍵塊A；工作面兩端與采空區接觸區域呈現弧形破斷形態，在力學結構上為弧形三角塊體B；在采空區上覆塊體形成破斷塊體C。塊體A、塊體B及塊體C通過三角鉸接結構聯結在一起，如圖1所示。孤島工作面沿空掘巷的巷道穩定性取決于上覆基本頂的穩定程度。

圖1 孤島工作面沿空掘巷示意圖

孤島工作面沿空掘巷與普通工作面沿空掘巷最大的區別在于應力增高系數的不同。普通工作面一側為采空區，煤柱邊緣應力增高系數為3，應力分布范圍為80m左右；孤島工作面兩側均為采空區，工作面的寬度在6～63m區間變化時，應力分布狀態為鐘形分布，煤柱邊緣的應力增高系數高達7以上。但二者的力學模型基本一致。由于對沿空掘巷穩定性影響最大的關鍵層主要是基本頂，為研究沿空掘巷巷道穩定性，將孤島工作面沿空掘巷的受力結構化簡為平面梁力學結構，孤島工作面沿空掘巷上方的頂板可以簡化為平面梁結構。孤島工作面沿空掘巷巷道力學模型如圖2所示[1]。

圖2 孤島工作面沿空掘巷失穩力學模型

考慮8204-2工作面回采期間孤島工作面沿空掘巷巷道主要變形是由于上覆巖層的回轉失穩引起，回轉失穩程度由基本頂巖層的斷裂強度、基本頂梁的長度和寬度、兩側采空區的壓實率決定。根據圖2假設沿空巷道頂板下沉值與塊體B回轉下沉值等量，即可推理得到孤島工作面沿空巷道下沉值與塊體B回轉角度關系，見式（1）：

式中：

w-巷道頂板中心最大下沉值，m；

s-頂板斷裂位置距離煤幫距離，m；

b-巷道寬度，m；

α-塊體B的回轉角度，°；

γ-巷道上覆巖層容重，kN/m3；

H-巷道埋深，m；

Kc-彈性地基梁系數。

由式（1）可知，隨著頂板支護強度的增加，巷道頂板中心最大下沉值不斷減小。所以提高孤島工作面沿空掘巷巷道的穩定性應該從增加支護強度和控制頂板巖層損傷范圍兩方面考慮，以保證巷道采掘期間的穩定性。

3 沿空二次掘巷支護方案

針對5204-2巷壓力顯現遇到的各種影響問題，經過現場調研及現場試驗，提出改變巷道掘進方式，采取沿空二次掘巷的掘進方式[2-3]，即5204-2順槽巷設計寬5.5m，先在采煤幫截割3.8m，后擴刷至5.5m。原設計一次截割成巷頂板來壓明顯，兩幫片幫嚴重，截割及支護時產生頻繁異響，掘進機截割時間及支護時間較長，支護可靠性較低。采取沿空二次掘巷的掘進方式（如圖3所示）需2次截割，工序較繁瑣，但兩次截割成巷相對一次截割成巷頂板巖層穩定性明顯改善，礦壓現象減緩，異響次數減少60%。現場試驗發現，沿空二次掘巷的掘進方式巷道截割時間和支護時間較一次性全斷面成巷時間明顯減少，支護強度高。

圖3 5204-2巷道變煤柱段掘進支護平面圖

4 巷道控制效果對比分析

（1）由于采取沿空二次掘巷方案，一部分巷道截割成型后，再截割剩余部分巷道，巷道上方頂板的應力釋放緩慢，有助于應力增高系數的緩慢降低，提高圍巖的穩定性，礦壓顯現有所延緩，巷道片幫得到有效控制。

（2）一次性截割成巷時，11.3m錨索在8.6～9.1m處存在碎煤區域，上藥卷困難，平均每一根11.3m錨索的打設時間為1h左右。采取沿空二次掘巷方案后，4.3m、6.3m錨索一次支護到位，巷道頂板8.6～9.1m區域較完整，平均每一根11.3m錨索的打設時間為0.5h左右，支護時間縮短50%，大大提高了支護效率。

（3）原支護方案和小斷面掘進支護方案對比，支護量并沒有因支護方案的變化有所增加。

5 結論

為解決孤島工作面煤柱變化段沿空掘巷巷道穩定性低的問題，通過現場調研、理論分析計算，進行了孤島工作面沿空二次掘巷技術的應用研究。研究發現，孤島工作面沿空二次掘巷技術能有效地延緩頂板來壓，提高支護的有效性，有效保證巷道的成型，同時提高工人工作時的安全系數，是煤礦安全、有效生產的一項重要措施，實踐過程對同類型礦井類似巷道的掘進具有積極的推廣和借鑒意義。