综采工作面过空巷的技术探索

2021-08-14张志军

江西煤炭科技 2021年3期

张志军

（山西沁和能源集团南凹寺煤业有限公司，山西晋城 048000）

王庄煤矿因受井下地质条件及周边小窑早期开采对井田煤层破坏的影响，在设计工作面时无法形成集中规则布置，不能形成大的采煤工作面，导致工作面开采期间煤炭资源回收率较低。为提高矿井煤炭资源回收率，将18205 工作面和18207 工作面设计成沿煤层倾向布置，而18206 工作面沿煤层走向布置，导致18206 工作面回采期间与原18205和18207 工作面老巷呈垂直交叉状态，18206 工作面在回采过程中需要经过4 条空巷。

1 工程概况

18206 综采工作面位于王庄煤矿18 采区东翼，地面标高+852.6～+987.4 m，井下标高-58.9～-97.8 m，工作面设计走向长1 328 m，倾斜宽290 m，工作面采用综采一次采全高采煤工艺。主采9#煤层，煤层厚度2.6～3.8 m，平均3.2 m。18206 工作面直接顶岩层主要为泥岩和细粒砂岩，厚度3.85～6.35 m，平均4.45 m，岩性特征为灰黑色，富含植物化石，发育滑面；老顶为中粒砂岩，厚度0.83～9.43 m，平均5.13 m，岩性特征为深-浅灰色，中粒结构，成份以长石为主，石英次生，层面富含白云母片和含大量的炭屑，钙质胶结，斜层理，裂隙发育；直接底为泥岩，厚度6.46～6.7 m，平均6.5 m，岩性特征为黑色，致密，发育斜层理，富含植物化石及黄铁矿结核。

18206 综采工作面在回采过程中，将先后遭遇原18207 工作面和18205 工作面运输巷和回风巷共4 条空巷，工作面切眼与空巷平交，夹角为7°，具体布置见图1。

图1 18206 工作面与空巷位置关系平面布置

2 工作面过空巷支护方案

2.1 原空巷巷道情况

根据空巷位置，从左向右依次将空巷编号为1#、2#、3#和4#。其中1#空巷为原18207 工作面运输巷，4#空巷为原18205 工作面回风巷，该两条空巷长度均为305 m，巷道宽度为5.4 m，巷道高度为3.3 m，与工作面平交，夹角为7°；原巷道内布置有5 个硐室，每个硐室长度为5 m。空巷两端距18206工作面原切眼机头和机尾位置的距离分别为455 m和512 m。1#和4#空巷原巷道支护方式为锚网索支护，其中巷道顶板支护采用的锚杆为Φ20 mm×2 000 mm 无纵筋锚杆，锚杆间排距为900 mm×900 mm，每排布置7 根锚杆；锚索采用Φ17.8 mm×8 000 mm 钢绞线，锚索间排距布置为2 100 mm×1 800 mm，每排布置3 根锚索。2#空巷为原18207工作面回风巷，3#空巷为原18205 工作面运输巷，该两条空巷长度均为305 m，2#巷道宽度为5 m，3#空巷宽度为5.4 m，巷道高度为3.3 m，与工作面平交，夹角为7°。2#与3#空巷之间有5 条联络巷，每条巷道长度为20 m。2#和3#空巷原巷道支护方式为锚网索支护，其中巷道顶板支护采用的锚杆为Φ20 mm×2 000 mm 无纵筋锚杆，锚杆间排距为900 mm×900 mm，每排布置7 根锚杆；锚索采用Φ17.8 mm×8 000 mm 钢绞线，锚索间排距布置为2 100 mm×1 800 mm，每排布置3 根锚索。

2.2 木垛支护加固方案

为降低因工作面采动影响对空巷的破坏程度，保证空巷变形量在可控范围之内，需对空巷进行提前加固，防止空巷出现垮落冒顶，从而确保工作面回采至空巷位置时能够直接与空巷衔接[1-2]。在对空巷进行锚索补强主动支护加固后，再在巷道内支设木垛进行被动支护加固。在1#和4#空巷每个硐室口位置均支设5 个木垛；在巷道顶板破碎、下沉出现裂隙的区域支设一排木垛，木垛布置间距为1 m；在2#与3#联络巷口两端各支设10 个木垛；在3#空巷内工作面回采后煤层变薄区域前后10 m 范围内的巷道巷中位置支设单排木垛，每排木垛间距1 m。支设的木垛呈“#”字型布置，木垛上下支设平直、整齐，每层坑木之间使用木鞋和木楔子垫平背牢，保证木垛接顶严实、搭接牢固、支撑有力，防止木垛受力出现垮落。木垛支设布置见图2。

图2 18206 工作面空巷木垛支设加固平面布置

2.3 工作面调斜

为减小工作面一次揭露空巷的面积，在工作面回采至空巷位置前必须对工作面进行最大限度的调斜，使工作面呈伪斜布置，在过空巷期间逐段通过空巷。由于18206 工作面切眼与空巷本身呈7°夹角。因此，在工作面回采至空巷位置前，将工作面伪斜布置角度提前调整为10°，即工作面运输巷比回风巷超前20 m。在该状态下，工作面过空巷期间每推进一循环将揭露3～5 架液压支架长度的空巷。

2.4 加快工作面推进速度

工作面在揭露空巷回采期间，工作面及空巷内的围岩应力显现将会显著增大。一方面是由于揭露空巷时工作面回采形成的采动压力与空巷顶板上方遗留的静压力出现相互叠加，从而使工作面围岩应力出现快速增大；另一方面是由于工作面揭露空巷时，破坏了空巷帮部煤岩体，造成空巷顶板没有墙体的支撑，从而导致空巷及工作面顶板围岩应力的急剧增大[3-4]。因此，工作面在过空巷回采期间，要采取措施，加快工作面推进速度，减少揭露空巷时间，使支架顶梁能够快速抬住空巷顶板，否则就有可能造成空巷内顶部压力增大出现顶板下沉或冒落现象，影响工作面正常推进，并带来较大安全隐患。

3 工作面过空巷回采期间矿压观测分析

3.1 矿压观测方法

为便于对工作面过空巷回采期间顶板压力变化情况进行观测，在工作面液压支架上自第2 架位置开始每间隔8 架安装一组本安型矿用数字压力检测仪，对工作面液压支架支撑力变化情况进行监测；在工作面运输巷和回风巷与空巷交叉点及其前后50 m 范围内每间隔10 m 位置巷道顶部安装一组顶板离层仪，用于观测巷道顶板压力变化情况。

3.2 工作面液压支架来压情况分析

（1）工作面未揭露空巷前支架工作阻力变化情况

18206 工作面未揭露空巷前液压支架实测的循环末阻力变化情况见图3。

图3 工作面未揭露空巷前支架实测循环末阻力变化分布直方图

根据经验公式，工作面液压支架合理工作阻力可以用公式（1）计算[5]：

式中：p为液压支架合理工作阻力，MPa；pm为液压支架循环末阻力平均值，MPa；根据图3观测分析的结果，取32.58；k为置信度系数，取1.3；σm为标准方差，MPa，根据图3观测分析的结果，取5.45。

将以上参数代入到公式（1）中计算可得，p=39.7 MPa，对应的支架合理工作阻力值为7 584 kN。

18206 综采工作面安装的液压支架初撑力值为31.5 MPa，对应的工作阻力值为6 015 kN，液压支架的额定工作阻力为38.5 MPa，对应的工作阻力值为8 825 kN。液压支架初撑力与其额定工作阻力值之间的比值为0.68，该支架支护能力为中等初撑型。根据综采液压支架额定工作阻力评价准则，液压支架在工作面周期来压期间的平均循环末阻力值为8 116 kN，是其额定工作阻力的91%，表明18206 工作面在未揭露空巷前液压支架的额定工作阻力达到了支护要求。

在未揭露空巷前工作面液压支架的循环初撑力变化分布情况见图4。根据图4分析可知，液压支架的平均初撑力值为26.55 MPa，是其初撑力值的84.28%，其中初撑力值在22～32 MPa区间范围内的占69.8%，表明液压支架初撑力得到的利用率比较高。

图4 工作面未揭露空巷前液压支架初撑力变化分布直方图

（2）工作面揭露空巷后支架工作阻力变化情况

根据图5观测分析可得，pm取值为33.85 MPa，σm标准方差取值为6.24 MPa，根据公式（1）计算可得，工作面揭露空巷后液压支架合理工作阻力为41.96 MPa，对应的支架合理工作阻力值为8 016 kN。

图5 工作面揭露空巷后支架实测循环末阻力变化分布直方图

根据图5与图3对比分析可知，工作面揭露空巷后，液压支架平均末阻力值在30～40 MPa区间范围内的占46.15%，大于45 MPa的区域范围占15.6%；在工作面未揭露空巷前，液压支架的平均末阻力值在30～40 MPa区间范围内的占42.12%，大于45 MPa的区域范围占10.3%，对比分析表明工作面在揭露空巷以后液压支架工作阻力有明显增大的现象。

揭露空巷后工作面液压支架的循环初撑力变化分布情况见图6。根据图6分析可知，液压支架的平均初撑力值为28.6 MPa，是其初撑力值的90.8%，其中初撑力值在22～32 MPa区间范围内的占78.15%，表明液压支架初撑力得到的利用率比较高。

图6 工作面揭露空巷后液压支架初撑力变化分布直方图

根据对上述监测的数据进行分析可以看出：①工作面回采推进速度较慢时，工作面周期来压频率较高，工作面顶板压力大，巷道下沉变形量大。因此工作面过空巷期间，要组织三班连续生产，提高工作面回采推进速度，降低来压频次，减缓顶板下沉变形速度；②当工作面机头位置进入到空巷时，工作面顶板开始出现下沉，当工作面机头以上支架逐段进入空巷以后，工作面矿压显现较为明显，顶板下沉变形量达到最大值；③根据利用巷道顶板离层仪观测取得的数据进行分析可知，当工作面即将揭露空巷时，顶板开始出现下沉变形现象，其中因2#和3#空巷距离较近，揭露的空巷空顶面积大，在工作面回采期间，受采动影响，顶板下沉量明显增大。