特厚煤层孤岛工作面沿空掘巷矿压显现规律的研究

李海清

（大同煤矿集团有限责任公司， 山西 大同 037000）

引言

安全、绿色、高效是现代化矿井的发展主题，小煤柱沿空掘巷是实现这个主题的技术途径之一，作为回采巷道布置的其中一种方式，小煤柱沿空巷道一方面处在相邻采空区侧向支承压力降低区范围内，有助于实现巷道围岩控制，并且小煤柱也能够隔离相邻采空区的水、火、瓦斯等，保障巷道安全[1]；另一方面小煤柱巷道缩减了护巷煤柱尺寸，相当于增加了工作面倾斜长度，提高了工作面的动用储量。同时，小煤柱巷道与相邻采空区之间煤柱宽度小，能够利用相邻工作面系统巷，减少本工作面巷道开拓工程量。正是这些技术优势让小煤柱沿空掘巷成为煤矿回采巷道布置的首选方式，也让科研机构对小煤柱沿空掘巷进行了大量研究[2-5]。

杜朋，涂敏[6]采用理论分析、数值模拟与现场实测相结合的方法，研究了特厚煤层孤岛综放工作面沿空护巷煤柱宽度及控制技术；展勤建[7]探讨了厚层复合顶板下孤岛工作面的小煤柱巷道围岩控制技术及矿压显现规律。一些学者[8-11]通过矿压仪器监测大量数据得出沿空巷道在采掘期间的矿压显现规律。

1 工作面概况

塔山矿8204-2 工作面位于井田的东南部、二盘区的东北部，东邻8202 采空区，西南为8204 采空区，为孤岛工作面，西北部为F13810 断层，东南部为二盘区回风巷，盖山厚度492～541 m，平均517 m。

8204-2 工作面为“刀把子”工作面，工作面可采走向长度1 600 m，倾向长度于采位1 178 m 处，工作面加宽63 m，倾向长146/209 m，工作面主采煤层为3—5 号煤层，倾角范围在1°～3°，煤层厚度在11.88～22.26 m 之间，平均为15.05 m，为近水平煤层。工作面采用综采放顶煤工艺进行回采，回采巷道为三巷布置，其中2204-2 巷是皮带巷，5204-2 巷是回风巷，8204-2 巷是高抽巷。工作面巷道布置示意如图1 所示。

图1 工作面巷道布置示意图

2 巷道围岩控制技术

巷道围岩控制的技术途径有巷道布置、巷道支护、巷道保护和巷道卸压等多种形式。为了主动减弱支承压力对巷道的影响，决定将2204-2 巷布置在8202 采空区边缘，采用小煤柱沿空掘巷技术控制巷道围岩。

2.1 小煤柱宽度的确定

采空区侧向支承压力分布是确定小煤柱宽度的重要条件，而工作面端部结构又是决定侧向支承应力分布的关键性因素。因此，提出“三角形滑移区”端部结构，如图2 所示。

图2 工作面端部结构及侧向支承压力分布

由于采空区不规则垮落带岩石碎胀系数的改变使“三角形滑移区”向采空区侧回转下沉，其垂直载荷由采空区的力与下方煤岩体共同承担，进而使煤柱上方的应力变小，为沿空掘巷提供低应力环境。

北京科技大学科研团队在塔山矿通过微震手段监测回采工作面侧向支承压力分布，结果如图3 所示。

图3 微震事件揭示的侧向支承压力分布规律

微震事件监测说明：工作面侧向支承压力分布中应力降低区的范围为10 m。为了将巷道布置在应力降低区范围内，结合矿井生产条件，确定煤柱宽度为8 m。

2.2 沿空巷道支护方案

2.2.1 掘进期间巷道支护

2204-2 巷断面为矩形，净宽度为5 300 mm，净高度为3 500 mm，采用“锚杆+锚索+W 钢带+JW钢带+组合锚索+金属网”联合支护，其中金属网由8 号铅丝制作，网格为100 mm×100 mm。巷道底板采用混凝土铺底，铺底厚度200 mm，支护断面如图4 所示。

图4 2204-2 巷支护断面图（单位：mm）

2.2.2 回采期间超前支护

工作面超前 300 m 范围内支护选用DW45-250/110X 型号单体支柱、DJB800/420 型顶梁，2204-2 巷采用“三梁三柱”的支护方式，人行侧支护二排，转载机下帮支护一排，支护参数为柱距1.2 m，排距0.6 m。

工作面两端头出现顶板破碎，采取在顶板破碎处预注粘结材料加固顶板，确保工作面推进到此处时顶板完整。具体工艺为：在采煤帮距顶板1.5 m处，斜向上与顶板夹角45°用风钻打注浆孔，注孔深4～5 m，孔距3～5 m。

3 沿空巷道矿压显现规律

巷道围岩位移量是衡量巷道矿压显现程度的重要指标之一。为了全面掌握和了解特厚煤层孤岛综放工作面沿空巷道在采掘期间巷道变形发生、发展、稳定的规律，采用“十字交叉”法对巷道表面位移进行观测，同时进一步分析、验证、评价小煤柱宽度留设及巷道支护的效果。

3.1 掘进期间围岩变形规律

掘进期间巷道围岩变形情况如图5 所示：开挖初期巷道变形速度快，后期逐步变小，10～15 d 后位移量趋于稳定；巷道两帮位移量为21 mm，顶底板位移量为17 mm，两帮位移量略大于顶底板位移量。

掘进期间采用的锚网索联合支护对策可以控制巷道围岩变形，其支护参数和支护要求也能够满足沿空巷道围岩控制要求。

图5 掘进期间巷道围岩变形曲线

3.2 回采期间围岩变形规律

回采期间巷道围岩位移量如下页图6 所示。

现场巷道位移量观测结果表明：受采动影响，两帮位移量为329 mm，顶底板位移量为388 mm。总体来看，顶底板位移量大于两帮位移量。

工作面推进期间，受到超前支承压力以及断层构造双重作用影响，超前工作面80 m 范围巷道发生明显底鼓，造成皮带输送机倾斜，工作面推进速度缓慢，严重影响工作面安全高效生产。为了解决底鼓，矿方决定在巷道底板施工卸压槽释放围岩集中压力，卸压槽参数为500 mm（宽）×500 mm（深）。

实施卸压槽后，部分区域卸压槽发生闭合，一定程度上缓解了2204-2 巷的底鼓，卸压效果明显，如图7 所示。

图6 回采期间巷道围岩变形曲线

4 结论

1）2204-2 巷采用小煤柱沿空掘巷技术，“三角形滑移区”端部结构和微震监测得出采空区侧向支承应力降低区范围并确定小煤柱宽度为8 m。

2）2204-2 巷掘进期间采用“锚杆+锚索+W 钢带+JW 钢带+组合锚索+金属网”联合支护对策，回采期间又采取卸压措施，支护形式和参数能够控制巷道围岩变形。

3）巷道矿压显现规律为：掘进期间，两帮位移量为21 mm，顶底板位移量为17 mm；回采期间，巷道两帮围岩量为329 mm，顶底板位移量为388 mm；回采期间巷道变形大于掘进期间巷道变形，但围岩变形量均在可控范围之内。

图7 底板卸压槽实施效果图