千米深井超长工作面两巷矿压治理关键技术*

王 强，余 岩

(1.皖北煤电集团山西岚县昌恒煤焦有限公司，山西 吕梁 033500；2.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232000；3.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司，安徽 淮南 232000)

0 引言

随着浅部煤炭资源开采强度的增加与煤炭高效开采技术的发展，我国煤炭资源的开采逐步向深部转移，综采工作面的空间尺度(工作面长度、推进长度、采高)也不断增加[1]。据统计，我国煤炭资源的采深以每年10～25 m的速度增加；工作面长度由100～200 m逐步提升至300～350 m，部分工作面长度甚至超过400 m；工作面推进长度也大幅增加，如今很多推进长度超过4 000 m的超长工作面已经投入生产[2-5]。工作面推进长度的增加一方面可以使煤炭资源得到合理的开发，既提升了煤炭产出率，又延长了矿井服务年限；同时还可使紧张的采掘接替得到缓解，有效提升矿井安全生产水平和矿井技术经济效益。但另一方面，埋深与工作面推进长度的增大使得矿压显现出现显著变化[6-7]。进入深部开采后，地应力显著增高、采动影响更加强烈、围岩破坏范围与变形程度更大，受此影响，巷道底鼓、巷帮内移、锚杆支护失效、支护体变形失稳等现象普遍发生；工作面长度的增加也导致工作面围岩和液压支架的控制难度加大，相对于普通工作面，超长工作面回采周期长，两巷及上覆岩层长期受到掘进及采动影响，在矿压方面的显现异常剧烈，围岩变形量大，故超长工作面常常呈现来压频率增高、来压步距缩减且呈现工作面分区域来压的特点[8-11]。

近年来，随着煤炭需求的日益增长与装备技术水平的不断提高，加长工作面推进长度成为智能高效长壁综采的发展趋势。两淮矿区作为国家大型优质煤炭生产基地之一，矿区内生产矿井开采正逐步向深部转移，工作面推进长度也逐渐增加[12]。但矿区地质条件复杂、深部岩层裂隙发育、水平地应力大，复杂的地质条件给深井超长工作面的安全高效生产带来一系列技术难题[13-15]。

为有效解决超长工作面巷道压力治理难题，实现矿井安全高效生产，对两淮矿区深井超长工作面巷压治理过程中存在的突出问题进行分析研究，并以矿区内某典型深井超长工作面为研究对象，系统分析开采过程中上覆岩层的运动规律及其对巷压变化的影响，以期保障深井超长工作面的正常生产。

1 研究背景

1.1 两淮矿区深井超长工作面矿压治理中的突出问题

1.1.1 工作面矿压理论研究问题

走向长距离工作面与一般工作面相比，其生产周期长，两巷及上覆岩层长期受到掘进及采动影响，矿压显现异常剧烈。但到目前为止，对两淮矿区“三高”“三软”长距离工作面围岩控制机理研究不够深入，尚不能完全了解工作面的应力状态和矿压显现规律，实际施工过程中常常出现支护范围不合理、支护强度与支护方式不匹配的问题，这无疑诱发了严重的安全隐患。

1.1.2 超前影响范围问题

相关理论及大量实践均表明，随着工作面回采周期的延长，上覆岩层活动程度更加强烈、波动范围更广、回采巷道压力更高。掘进和工作面采动会引起的支承压力，在煤、巷帮的双重影响下，围岩应力增加，超前支承压力波动范围更广，造成强烈的矿压显现，不仅会加大顶底板变形，还会引起两帮变形，若不合理确定采动的影响范围，并及时超前支护，将深井围岩变形控制在一定范围内，将很难保证正常生产。

1.1.3 支护思路问题

以往回采工作面，从初采到收作其支护参数保持不变，未做到全盘兼顾，忽视了深井长距离开采是一项系统工程。对于回采中期、后期的支护强度未做到提前规划，采动影响所需的中、后期支护强度不够，从而导致矿压治理不能满足预期目标，甚至出现支护失效的情况。

1.2 典型超长工作面工程地质概况及覆岩运动规律分析

1.2.1 超长工作面基本概况

本次研究的回采工作面是该矿井首个超长工作面，为两淮矿区典型的高瓦斯、高地压、高地温“三高”回采工作面。该工作面生产标高-799.6～-915.6 m(地面+22.4～+24.8 m)，平均煤厚3.1 m，煤层倾角1°～16°，走向长度2 708.3 m，属于典型的“三软”煤层(硬度系数小于0.8)，裂隙发育，稳定性差，受断层影响后构造极为复杂。该超长工作面受采动影响的时间较常规工作面长一年以上，由于长期受到风化、水、温度的劣化作用，围岩强度明显降低，围岩的破断逐渐向深部发展。受此影响，该超长工作面在回采中、后期矿压显现明显，特别是回采后期，两巷顶底板及帮部变形剧烈，引发上下出口安全断面极难维护、转载机无法正常拉移等一系列问题，给安全回采带来了极大的难题和考验。

1.2.2 顶板初次来压上覆岩层运动理论分析

工作面两巷为实体煤，初采时，在切眼下部21#架附件揭露F1222(1)-29：∠72°H=3.0 m大断层，回采初期可将上覆岩层视为三边由煤体固支、另一边由断层简支的“梁”。老顶悬露部分的重量通过“梁”传递至四周煤体上。老顶的悬露面积和在煤体周围形成的弯矩会随着工作面的推进而不断加大，一旦超过极限跨距，老顶就会在四周煤壁处发生破断，如图1所示。三铰拱式平衡往往在老顶发生初次破断时形成，同时已破断岩块会出现回转失稳的现象，若破断的岩块产生的荷载大于支架的支撑力就会导致失稳，顶板下沉，将会存在着极大的安全风险。

图1 工作面顶板初次破断剖面Fig.1 Initial fracture of roof in working face

1.2.3 工作面上覆岩层周期破断及矿压显现分析

老顶初次来压以后，回采面上覆岩层力学模型由两端固支的梁变为一端由工作面前方煤体固支，另一端由采空区冒落矸石支承的简支梁。老顶初次破断后，上覆岩层边界条件变差，上覆裂隙体梁所形成的结构将会随着回采工作面的推进而不断变化。在基本顶自身岩层及支护体的双重作用下，周期断裂会在走向方向上产生，基本顶沿走向发生周期破断，在破断过程中，是工作面煤壁及两巷围岩变形最剧烈时期，也是工作面回采最困难阶段，如图2所示。工作面可采走向长2 708.3 m，回采时间跨度大，围岩长期受井下风化、水、温度的作用，且在岩体的流变影响下，加速了上覆岩层的运动及破断过程，所以越是在回采后期，上覆岩层从稳定状态到失稳状态时间间隔越短，老顶破断后上覆岩层失去稳定影响时间越长，失稳时两巷及工作面顶板压力越剧烈，围岩变形越严重，若不采取合理的支护手段将很难保证回采工作面安全高效回采。

图2 工作面老顶周期破断力学模型Fig.2 Mechanical model of periodic breaking of main roof in working face

2 超长工作面矿压治理关键技术及效益

2.1 两巷超前支护范围的合理确定

围岩的原始应力在采掘活动影响下重新分布，其采动影响范围包含弹性增高区和极限平衡区。若想有效控制矿山压力，就必须在围岩进入采动影响范围之前对其进行加固，否则围岩受到集中应力破坏后将发生更大范围的破坏。因此合理的确定采动范围就显得尤为重要，在围岩受到采动影响之前进行加固并在采动范围之内加大支护强度往往能起到事半功倍的效果。

采动影响范围会随着回采时间的延续逐渐变大，对于超长工作面而言，其回采时间更长，采动影响范围变大的问题更加突出。结合专家研究结论与现场实际地质条件，对该超长工作面的不同回采时期的采动影响范围进行合理确定：回采初期运顺和轨顺分别超前支护40 m和60 m，中期分别超前支护60 m和80 m，后期分别超前支护80 m和100 m。通过对不同回采阶段超前支护范围的调整，超长工作面两巷压力问题得到有效解决。

2.2 强化支护技术

巷道围岩在进行支护处理后还要经受超前采动及围岩长期流变的影响，以往的支护方案仅考虑了超前采动压力的影响，安全系数选择往往不大，当围岩发生长期流变极易发生变形失稳，因此在设计支护方案时必须对支护手段进行强化。

2.2.1 锚杆(索)强化支护技术

深井超长工作面的围岩会产生复杂的变化，常规锚杆(索)支护手段已不能满足技术需求，必须对锚杆(索)支护进行强化。锚杆(索)的强化支护技术手段主要是通过对锚杆(索)、围岩强度、承载结构的强化进行。

锚杆(索)的强化：对于选用的锚杆，不仅要保证其本身强度高，还要对其附属的部件有着很高的要求，其附件的稳定性和强度必须过关，可以解决破软岩(煤)体的网兜现象。井下现场使用的φ22 mm大直径锚索，既提高了锚索的破断力，又为施加高预紧力创造条件，解决了“三经”匹配困难问题。

围岩强度的强化：锚杆支护能改变锚固体破坏发生前后的受力状态，使被锚固体力学性能发生变化，提高了各种形态的岩体的强度。

承载结构的强化：根据该工作面顶板层状赋存的特性以及两巷岩体不平衡性引起的弱化区域，形成了围岩承载结构，其中有弱面或软弱夹层的顶板离层控制，以及对开放的底板、帮角岩体破坏区、软弱煤体等进行加固。

额外加固：强化支护过程中需额外对采煤帮顶板肩窝处进行加固，且无论两巷条件好坏必须保证100 m以上的超前加固距离。过断层破碎带时，巷道围岩条件较差时，在巷道采煤帮侧顶板处再补充施工一排纵向锚索梁，两排锚索梁的排距1.2 m。如巷道超高严重，巷道高度达到4.0 m以上，需在煤帮中部再施工一排走向锚索梁。此外，局部巷道变形明显、顶板破碎的地段必须超前进行加固，主要为施工单点锚索(杆)的方式，首先采取有效的支护方式来防止两巷围岩发生松动破坏，使围岩一直存在于稳定塑性区内。

2.2.2 液压单体强化支护技术

超长工作面对支护强度要求更高，必须加以改进创新，深部矿山压力才能得到有效控制。对液压单体进行强化支护后，其对深井巷压的防治作用体现在以下3个方面。

发挥单体支护的双效性：单体支护对巷道顶底板同时施加一个沿着半径方向的受力，使顶、底板、深部围岩由双向受力变成三向受力，使围压得到了提高，从而加强顶、底板岩体的承载能力及稳定性。

减小顶板下沉及底板鼓起：巷道顶、底板由于受到水平应力作用，往往导致顶板下沉及底板鼓起，单体支护提供的支承力能够有效的约束顶、底板沿轴向方向向沿空面的膨胀变形，同时沿水平方向约束岩层剪切错动。

有利于压力拱的形成：单体支护能够在顶、底板两端形成圆锥形压应力区，当单体支护的密度足够大，单体与单体之间的间距足够小时，各个单体以圆锥的形式存在，之间交错纵横，在岩体中生成一个均衡的类似于带状的压缩带，即压缩拱。围岩承载结构依据压缩拱而形成，与此同时可以让含弱面和软弱夹层的顶板离层进行有效的防控。

施工要点：在回采初期，保证运顺挑棚单体超前工作面不少于60 m，轨顺挑棚单体超前工作面不少于80 m。回采中期条件变差，要确保运顺挑棚单体超前工作面不少于80 m，轨顺挑棚单体超前工作面不少于100 m。回采后期接近收作时，运顺挑棚单体超前工作面要大于或等于100 m，轨顺超前工作面要大于或等于120 m。

2.3 变形控制技术

2.3.1 巷道底板变形控制技术

该工作面底板为泥岩，富含黏土矿物成分，稳定性差，受到外力作用后极易产生底鼓。根据回采中、后期的观测，底板鼓起高度最大达2.1 m，平均高度1.1 m。工作面两巷的底鼓治理成为安全高效回采的重大研究课题。传统卧底方式只超前卧下端头至转载机头约45 m范围内底板，即只需满足运输机头与转载机的搭接及机头1#支架的空间需求即可。由于超前卧底量不足，实际回采过程中常常出现工作空间不足、支护强度低、巷道变形难以控制等问题。鉴于以上问题，在回采该工作面时创造性地采取了全断面卧底方式，即将转载机及皮带机底板与人行道底板全断面卧到规定高度，保持齐平的卧底方式。采取这种卧底方式，不仅方便施工人员通行，而且为作业人员提供了足够的安全作业空间，避免了很多安全隐患；同时方便了单体支护作业，提升了支护强度；还能对两帮地脚部位进行支护，有利于控制巷道的帮部变形。实际施工过程中，在回采初期，两巷超前卧底量不少于60 m；回采中期，两巷超前卧底量不少于80 m；回采后期两巷超前卧底量不少于100 m。两巷若遇到断层或破碎带，条件较差时，适当增加超前卧底量。此外，卧底时采取分阶段、分层卧底：首先保证工作面向外45 m的卧底深度，工作面向外45m以外的巷道底板卧底深度不做要求，但工作面推进的过程中，要不断加大卧底深度，保证超前范围内巷道高度满足最低标准要求。

2.3.2 巷道帮部变形控制技术

随着巷道服务时间的增加，巷道帮部力学性质不断恶化，巷帮的破坏将不断向深部转移，破坏后的帮部将不断发生扩容及膨胀。监测数据表明回采后期接近收作线附近的巷道帮部变形剧烈，两帮水平位移量最大3.0 m，平均2.1 m。为保证安全回采，采取在采煤帮超前刷扩的措施。刷扩前沿采煤帮顶板，距离煤壁600 mm，施工走向锚索梁，锚索梁下打单体进行加强支护，一梁五柱。刷扩宽度不低于1.2 m，刷扩后的顶板施工顺山锚索梁，顺山锚索梁与之前打的走向锚索梁搭接处下打单体进行支护。刷扩时施工的锚索梁下，全部打单体进行补强加固，尽可能多打单体，确保支护强度。巷道变形的监测结果表明，超前撕帮对帮部的变形有较好的控制作用，故实际施工中应尽可能超前撕帮。根据该超长工作面的工程实践，若想使巷道断面得到合理的控制，最少超前工作面150 m的长度。

2.4 技术经济效益

本次试验的长距离工作面较以往2个正常回采面开采，少了一次工作面的纫网、扩面作业。采煤工作面安全管理的重点、难点便是采煤面的纫网、扩面作业，减少一次纫网、收作能够极大排除井下采煤的安全隐患。此外，避免了一个切眼巷道、一次设备的安装、拆除、收作。根据该矿11槽煤回采实践，一个走向232 m的切眼巷道施工，需工期2个月，工作面安装需工期1.5个月，拆除需1.5个月，收作需1个月。工作面回采期间可节约工期6个月，同时节约巷道造价、安装拆除费资金约数千万，在矿井工作面接替、达成产量、完成经济效益指标等方面都贡献了不可估量的经济价值。

3 结论

(1)深井超长工作面的安全高产高效生产对支护技术要求十分严格，通过对两淮矿区深井超长工作面回采过程中出现的突出问题进行分析，总结了深井超长工作面两巷矿山压力显现的特征及当前治理技术的局限性。

(2)以两淮矿区典型超长工作面为例，对回采周期增加条件下工作面上覆岩层运动规律及矿山压力显现规律进行了详细分析，发现在风化、水、温度、岩体流变等外部作用下覆岩破断周期呈现减小的趋势，矿压显现在回采后期更加剧烈，围岩变形更加严重。

(3)根据矿区围岩赋存特征，针对性地提出强化支护、控制变形、合理确定超前支护范围等一系列矿压治理关键技术。根据不同煤层(群)、岩层地质条件及回采工艺，确定巷内支护和超前支护的合理范围，并通过协同支护、重点区域加强支护等具体措施对两巷矿山压力进行了有效治理，总结出一套规范、完整的超长工作面回采技术方案及作业流程，保证了超长工作面的安全高效生产。