綜采工作面過空巷的技術探索

張志軍

（山西沁和能源集團南凹寺煤業有限公司，山西 晉城 048000）

王莊煤礦因受井下地質條件及周邊小窯早期開采對井田煤層破壞的影響，在設計工作面時無法形成集中規則布置，不能形成大的采煤工作面，導致工作面開采期間煤炭資源回收率較低。為提高礦井煤炭資源回收率，將18205 工作面和18207 工作面設計成沿煤層傾向布置，而18206 工作面沿煤層走向布置，導致18206 工作面回采期間與原18205和18207 工作面老巷呈垂直交叉狀態，18206 工作面在回采過程中需要經過4 條空巷。

1 工程概況

18206 綜采工作面位于王莊煤礦18 采區東翼，地面標高+852.6～+987.4 m，井下標高-58.9～-97.8 m，工作面設計走向長1 328 m，傾斜寬290 m，工作面采用綜采一次采全高采煤工藝。主采9#煤層，煤層厚度2.6～3.8 m，平均3.2 m。18206 工作面直接頂巖層主要為泥巖和細粒砂巖，厚度3.85～6.35 m，平均4.45 m，巖性特征為灰黑色，富含植物化石，發育滑面；老頂為中粒砂巖，厚度0.83～9.43 m，平均5.13 m，巖性特征為深-淺灰色，中粒結構，成份以長石為主，石英次生，層面富含白云母片和含大量的炭屑，鈣質膠結，斜層理，裂隙發育；直接底為泥巖，厚度6.46～6.7 m，平均6.5 m，巖性特征為黑色，致密，發育斜層理，富含植物化石及黃鐵礦結核。

18206 綜采工作面在回采過程中，將先后遭遇原18207 工作面和18205 工作面運輸巷和回風巷共4 條空巷，工作面切眼與空巷平交，夾角為7°，具體布置見圖1。

圖1 18206 工作面與空巷位置關系平面布置

2 工作面過空巷支護方案

2.1 原空巷巷道情況

根據空巷位置，從左向右依次將空巷編號為1#、2#、3#和4#。其中1#空巷為原18207 工作面運輸巷，4#空巷為原18205 工作面回風巷，該兩條空巷長度均為305 m，巷道寬度為5.4 m，巷道高度為3.3 m，與工作面平交，夾角為7°；原巷道內布置有5 個硐室，每個硐室長度為5 m。空巷兩端距18206工作面原切眼機頭和機尾位置的距離分別為455 m和512 m。1#和4#空巷原巷道支護方式為錨網索支護，其中巷道頂板支護采用的錨桿為Φ20 mm×2 000 mm 無縱筋錨桿，錨桿間排距為900 mm×900 mm，每排布置7 根錨桿；錨索采用Φ17.8 mm×8 000 mm 鋼絞線，錨索間排距布置為2 100 mm×1 800 mm，每排布置3 根錨索。2#空巷為原18207工作面回風巷，3#空巷為原18205 工作面運輸巷，該兩條空巷長度均為305 m，2#巷道寬度為5 m，3#空巷寬度為5.4 m，巷道高度為3.3 m，與工作面平交，夾角為7°。2#與3#空巷之間有5 條聯絡巷，每條巷道長度為20 m。2#和3#空巷原巷道支護方式為錨網索支護，其中巷道頂板支護采用的錨桿為Φ20 mm×2 000 mm 無縱筋錨桿，錨桿間排距為900 mm×900 mm，每排布置7 根錨桿；錨索采用Φ17.8 mm×8 000 mm 鋼絞線，錨索間排距布置為2 100 mm×1 800 mm，每排布置3 根錨索。

2.2 木垛支護加固方案

為降低因工作面采動影響對空巷的破壞程度，保證空巷變形量在可控范圍之內，需對空巷進行提前加固，防止空巷出現垮落冒頂，從而確保工作面回采至空巷位置時能夠直接與空巷銜接[1-2]。在對空巷進行錨索補強主動支護加固后，再在巷道內支設木垛進行被動支護加固。在1#和4#空巷每個硐室口位置均支設5 個木垛；在巷道頂板破碎、下沉出現裂隙的區域支設一排木垛，木垛布置間距為1 m；在2#與3#聯絡巷口兩端各支設10 個木垛；在3#空巷內工作面回采后煤層變薄區域前后10 m 范圍內的巷道巷中位置支設單排木垛，每排木垛間距1 m。支設的木垛呈“#”字型布置，木垛上下支設平直、整齊，每層坑木之間使用木鞋和木楔子墊平背牢，保證木垛接頂嚴實、搭接牢固、支撐有力，防止木垛受力出現垮落。木垛支設布置見圖2。

圖2 18206 工作面空巷木垛支設加固平面布置

2.3 工作面調斜

為減小工作面一次揭露空巷的面積，在工作面回采至空巷位置前必須對工作面進行最大限度的調斜，使工作面呈偽斜布置，在過空巷期間逐段通過空巷。由于18206 工作面切眼與空巷本身呈7°夾角。因此，在工作面回采至空巷位置前，將工作面偽斜布置角度提前調整為10°，即工作面運輸巷比回風巷超前20 m。在該狀態下，工作面過空巷期間每推進一循環將揭露3～5 架液壓支架長度的空巷。

2.4 加快工作面推進速度

工作面在揭露空巷回采期間，工作面及空巷內的圍巖應力顯現將會顯著增大。一方面是由于揭露空巷時工作面回采形成的采動壓力與空巷頂板上方遺留的靜壓力出現相互疊加，從而使工作面圍巖應力出現快速增大；另一方面是由于工作面揭露空巷時，破壞了空巷幫部煤巖體，造成空巷頂板沒有墻體的支撐，從而導致空巷及工作面頂板圍巖應力的急劇增大[3-4]。因此，工作面在過空巷回采期間，要采取措施，加快工作面推進速度，減少揭露空巷時間，使支架頂梁能夠快速抬住空巷頂板，否則就有可能造成空巷內頂部壓力增大出現頂板下沉或冒落現象，影響工作面正常推進，并帶來較大安全隱患。

3 工作面過空巷回采期間礦壓觀測分析

3.1 礦壓觀測方法

為便于對工作面過空巷回采期間頂板壓力變化情況進行觀測，在工作面液壓支架上自第2 架位置開始每間隔8 架安裝一組本安型礦用數字壓力檢測儀，對工作面液壓支架支撐力變化情況進行監測；在工作面運輸巷和回風巷與空巷交叉點及其前后50 m 范圍內每間隔10 m 位置巷道頂部安裝一組頂板離層儀，用于觀測巷道頂板壓力變化情況。

3.2 工作面液壓支架來壓情況分析

（1）工作面未揭露空巷前支架工作阻力變化情況

18206 工作面未揭露空巷前液壓支架實測的循環末阻力變化情況見圖3。

圖3 工作面未揭露空巷前支架實測循環末阻力變化分布直方圖

根據經驗公式，工作面液壓支架合理工作阻力可以用公式（1）計算[5]：

式中：p為液壓支架合理工作阻力，MPa；pm為液壓支架循環末阻力平均值，MPa；根據圖3觀測分析的結果，取32.58；k為置信度系數，取1.3；σm為標準方差，MPa，根據圖3觀測分析的結果，取5.45。

將以上參數代入到公式（1）中計算可得，p=39.7 MPa，對應的支架合理工作阻力值為7 584 kN。

18206 綜采工作面安裝的液壓支架初撐力值為31.5 MPa，對應的工作阻力值為6 015 kN，液壓支架的額定工作阻力為38.5 MPa，對應的工作阻力值為8 825 kN。液壓支架初撐力與其額定工作阻力值之間的比值為0.68，該支架支護能力為中等初撐型。根據綜采液壓支架額定工作阻力評價準則，液壓支架在工作面周期來壓期間的平均循環末阻力值為8 116 kN，是其額定工作阻力的91%，表明18206 工作面在未揭露空巷前液壓支架的額定工作阻力達到了支護要求。

在未揭露空巷前工作面液壓支架的循環初撐力變化分布情況見圖4。根據圖4分析可知，液壓支架的平均初撐力值為26.55 MPa，是其初撐力值的84.28%，其中初撐力值在22～32 MPa區間范圍內的占69.8%，表明液壓支架初撐力得到的利用率比較高。

圖4 工作面未揭露空巷前液壓支架初撐力變化分布直方圖

（2）工作面揭露空巷后支架工作阻力變化情況

根據圖5觀測分析可得，pm取值為33.85 MPa，σm標準方差取值為6.24 MPa，根據公式（1）計算可得，工作面揭露空巷后液壓支架合理工作阻力為41.96 MPa，對應的支架合理工作阻力值為8 016 kN。

圖5 工作面揭露空巷后支架實測循環末阻力變化分布直方圖

根據圖5與圖3對比分析可知，工作面揭露空巷后，液壓支架平均末阻力值在30～40 MPa區間范圍內的占46.15%，大于45 MPa的區域范圍占15.6%；在工作面未揭露空巷前，液壓支架的平均末阻力值在30～40 MPa區間范圍內的占42.12%，大于45 MPa的區域范圍占10.3%，對比分析表明工作面在揭露空巷以后液壓支架工作阻力有明顯增大的現象。

揭露空巷后工作面液壓支架的循環初撐力變化分布情況見圖6。根據圖6分析可知，液壓支架的平均初撐力值為28.6 MPa，是其初撐力值的90.8%，其中初撐力值在22～32 MPa區間范圍內的占78.15%，表明液壓支架初撐力得到的利用率比較高。

圖6 工作面揭露空巷后液壓支架初撐力變化分布直方圖

根據對上述監測的數據進行分析可以看出：①工作面回采推進速度較慢時，工作面周期來壓頻率較高，工作面頂板壓力大，巷道下沉變形量大。因此工作面過空巷期間，要組織三班連續生產，提高工作面回采推進速度，降低來壓頻次，減緩頂板下沉變形速度；②當工作面機頭位置進入到空巷時，工作面頂板開始出現下沉，當工作面機頭以上支架逐段進入空巷以后，工作面礦壓顯現較為明顯，頂板下沉變形量達到最大值；③根據利用巷道頂板離層儀觀測取得的數據進行分析可知，當工作面即將揭露空巷時，頂板開始出現下沉變形現象，其中因2#和3#空巷距離較近，揭露的空巷空頂面積大，在工作面回采期間，受采動影響，頂板下沉量明顯增大。

4 結論

1）王莊煤礦18206 工作面采用過空巷回采布置，工作面可回采長度增加了400 m，按照切巷長290 m 計算，工作面多采出原煤約0.46 Mt，按照當前煤炭售價400 元/噸計算，多增加經濟收入18 400萬元，在過空巷期間投入巷道維護等費用約180 萬元，實現增加經濟收入18 220 萬元。

2）工作面過空巷期間，空巷必須有較好的支護狀況，前期采用錨桿（索）支護，過空巷前進行支設木垛加固的方式效果較好，能夠達到工作面安全回采通過空巷的基本要求。

3）在工作面過空巷回采期間，根據現場實際情況，提出了空巷錨索補強、支設木垛等方式超前加固，工作面調斜、工作面回采期間加快推進速度等技術方案，不僅保證了工作面安全回采，同時增加了工作面可回采長度，提高了煤炭資源回收率，給礦井創造了較大的經濟效益，為今后礦井過空巷回采提供了一定參考價值。