综采放顶煤工作面临空巷道矿压控制措施

王 鹏

（1.太原理工大学，山西 太原030024；2.同煤国电同忻煤矿有限公司机电科，山西 大同 037001）

1 同忻煤矿综采放顶煤工作面地质条件概况

同忻矿井位于山西省大同市西南约20km，大同煤田北东部。矿井设计规模为10.00mt/a。矿井首先开采东部一水平北一盘区，现已开采完北一盘区 8101、8100、8106、8107、8105 五个工作面，现采面为 8104工作面。这六个工作面均开采石炭系太原组3～5号煤层，属特厚煤层，工作面煤层平均厚度为18m左右，煤层倾角一般为3～10°。工作面老顶为中细砂岩、含砾粗砂岩，直接顶为粗砂岩，直接底为泥岩与粉砂岩互层，采用一次采全高放顶煤开采，实现了特厚煤层一次全高开采。

按照综采工作面接续安排及工作面布置情况，先后出现了3条临空巷道，分别是8107工作面5107巷、8105工作面5105巷和8104工作面5104巷。在开采过程中，临空巷道出现了严重的矿压显现情况，包括顶板下沉、底鼓、帮鼓等现象，影响了巷道的安全使用。（综采工作面开采顺序为8106→8107→8105→8104，位置关系如图1。）

图1 综采工作面位置关系示意图

2 临空巷道矿压显现的危害程度及其原因分析

2.1 临空巷道矿压显现的危害程度

因开采强度大，在综放面超前压力、邻面采空区顶板压力、上覆侏罗系集中煤柱的共同作用下，临空巷道压力显现大，顶板下沉、底鼓、帮鼓严重，混凝土浇铸的底板被顶起、折断（图2），车辆无法通行；巷道表面混凝土喷层开裂、掉落，煤壁片帮，两帮内挤最大可达1.0m多，尤以煤柱侧帮更为严重（图3）；巷道顶板下沉明显，局部区域顶板钢带变形，锚杆被拉断（图4）。巷道需进行二次起底及补打锚杆、锚索，加大了维修工程量，严重影响了巷道的安全使用。

图2 底鼓明显

图3 巷道片帮

图4 浆皮脱落、钢带变形

2.2 临空巷道矿压显现的原因分析

根据同忻煤矿临空巷道的矿压显现情况及地质条件分析，主要原因有以下几点：

1）综放工作面临空巷道与工作面采空区相邻是主要原因之一。

临空巷道与工作面采空区间煤柱为45米。工作面采空区三角区顶板塌落不实临空压力传递导致巷道煤壁松软、顶板离层，加上综放工作面采动压力产生超前压力叠加，使临空巷道底鼓、片帮、顶板下沉加速。

2）工作面采空区老顶垮落，对临空巷道产生压力影响。

3）工作面采空区超前压力，对临空巷道产生压力影响。

4）特厚煤层放顶煤开采，采高大且顶板岩石坚硬不易垮落，在工作面采空区和煤柱上形成悬臂梁结构，从而产生采动压力，造成工作面顶板周期来压强烈，超前压力影响范围比侏罗系煤层大。

5）留顶煤巷道在矿山压力作用下，巷道易变形。

临空巷道留顶煤掘巷，煤层层理发育，且锚杆、锚索支护不能锚固在稳定的岩层中，在矿山压力作用下易破坏巷道原支护，导致巷道底鼓、片帮和顶板下沉明显。

6）根据辽宁工程技术大学对同忻井田煤层地质条件分析评估，受井田内断裂影响，综放工作面处于应力升高区，矿压显现强烈。

3 临空巷道矿压控制措施

为了工作面安全顺利生产，针对5107巷、5105巷及5104巷三条临空巷道的各自矿压情况，除了采取在临空巷道两侧打木垛、增加单体柱数量、顶板补钢梁打锚索、挂网以及支木柱等一般补强支护措施外，还采取了在巷道两帮施工卸压孔、底板爆破孔、坚硬顶板水力致裂等一系列卸压和弱化、控制矿压显现的措施，并加强了综放工作面冲击性来压的预测预报工作。具体措施如下：

3.1 补强支护措施

图5 5107巷顶板再次挂网

随着现采工作面逐步向外推进，现采面相邻的巷道受现采面周期来压、采空区沉降及采动影响，会出现巷道浆皮开裂脱落、地裂隙、明显的帮鼓和底鼓等现象，且随着时间推移，矿压显现程度会日趋强烈。针对这些情况，通常采用补强支护措施，具体做法为：

1）临空巷道内出现矿压显现的巷段采用顶部工字钢吊梁、煤柱侧帮角锚索和帮锚索补强支护。

2）增加超前支护长度，在原超前两排支护基础上沿巷中增加一排60米长的超前单体支护，底板松软时单体柱穿鞋支设。

3）巷道内出现矿压显现的巷段先采取工字钢梁二次补强支护，然后根据实际情况，对超前支护外范围正进行二次补强支护，与原有钢梁支护交替布置。

4）巷道自超前支护处由里向外实施了锚杆挂顶网，防止顶板浆皮及支护材料突然脱落伤人。

3.2 卸压孔措施

出现巷道浆皮开裂脱落、地裂隙、明显的帮鼓和底鼓等现象，除了采用补强支护措施外，还可以采用卸压孔卸压技术。施工卸压孔的基本原理就是采用人工的方法对围岩的碎胀变形力进行有控制的释放，使巷道周边形成的应力峰值向远离巷道周边的围岩深部转移，使巷道处于应力降低区中。卸压孔造成局部煤体破裂，降低了煤体强度，使应力重新分布，释放或降低了煤体中的弹性能，减小了巷道承受的压力和变形量，从而达到维护巷道的目的。

以5107临空巷道为例。5107巷临近8106面采空区，巷道压力大，为了减轻临空巷道矿压显现状况，先后在5107巷采位890～990m、1000～1200m施工卸压孔，孔深15m，孔径108mm，每侧打两排，三花眼布置，眼距1m，排距0.8m。

3.3 底板爆破、坚硬顶板水力致裂措施

当综放工作面在开采的过程中，发生了多次冲击性来压，普通的补强措施已经无法有效解决时，可以采用底板爆破、坚硬顶板水力致裂。

以5105临空巷道为例。由于5105巷与8106面采空区相邻，8105面开采前，巷道压力已显现明显。在8105工作面开采过程中，5105巷共发生八次冲击性来压，第一次5105巷采位168.8m，第八次采位1012.4m。为了弱化和控制强矿压现象的发生，在5105巷采位1045～1480m段施工水力致裂孔20个，设计孔间距20m，孔深39～42m，钻孔方向为8106面采空区悬板，倾角39～45，孔径Φ50mm，使用注水泵，水力割缝专用封孔器Φ50，安装杆Φ10，定向水力致裂开槽钻头Φ50，致裂压力一般达20～46MPa，时间30min左右。

同时在5105巷采位950～1050m段施工底板卸压孔，进行底板爆破卸压。孔间距5m，孔径Φ50mm，孔与底板夹角60°，垂深5m，每孔装药3kg。

图6 5105巷水力致裂孔示意图

3.4 综放工作面冲击性来压的预测预报工作

除了上述措施外，为了加强综放工作面冲击性来压预测预报工作，可以在盘区布置微震监测系统，对综放工作面开采工程中的岩层、煤层的破裂范围、强度等进行实时监测，并结合KBD5电磁辐射仪人工采集数据，加强对综放工作面，尤其是临空巷道应力状态的监测监控，及时进行数据分析，预报预测冲击性来压现象，为综放工作面安全生产提供保障。

4 临空巷道矿压控制的效果

1）巷道发生变形后，适时进行二次补强支护，通过补打帮锚杆、帮锚索、顶锚索，支设木垛，有效控制了围岩变形，临空巷道底鼓量、顶板下沉量、帮鼓量较之前有明显的减小，保证了巷道的安全使用。

2）通过施工卸压孔等卸压技术，提前转移了应力分布，减少或防止开采过程中临空压力与超前压力叠加而形成应力集中的现象，在一定程度上缓解了顶板压力，减弱矿压显现，化被动为主动，从源头根本上解决问题，实现矿山压力控制。

3）在底板爆破、坚硬顶板水力致裂措施实施完成后，5105临空巷道强矿压现象得到弱化和控制，直至工作面推进到停采线，现场未观测到冲击性来压现象，保证了综放工作面安全顺利生产，效果良好。