大同矿区石炭系8#层沿空留巷方式下的切巷掘进工艺实践

2024-05-12马占新马亚杰

同煤科技 2024年1期

刘菲，马占新，马亚杰

（1.晋能控股煤业集团有限公司，山西大同 037003；2.山西大学电力与建筑学院，山西太原 030006）

无煤柱开采技术在国内外都有研究［1］，该技术的重点是如何避免采空区顶板应力传递造成邻面的巷道（尤其是大断面切巷）应力集中，从而出现巷道围岩大量变形乃至破碎，最终导致巷道无法正常使用的问题。基于此，经过认真研究与总结，根据无煤柱开采时邻空面巷道围岩在不同时空的变化规律，采用“先同后异平齐法”掘进工艺，实现了安全、快速掘进。

1 同忻煤矿C8#层北一盘区8105工作面概况

晋能控股煤业集团同忻煤矿（简称“同忻煤矿”）北一盘区为C8#层首采盘区，8105 工作面为首采工作面，采用无煤柱沿空留巷方式开采，8105 工作面采掘工程平面图如图1所示。

图1 8105工作面采掘工程平面图

C8#层8105 切巷地面相对位置位于后沟与小海沟之间的山坡与沟谷地段，地面标高1 162～1 173 m，平均1 167.5 m，工作面标高759～767 m，平均763 m，平均埋深404.5 m，区域内无水体及建筑物。井下位于同忻井田东部，西部为8#煤层北一盘区8105 工作面两顺槽，同层其余为实煤区，上覆为同忻煤矿C3-5#层8104和8105 工作面采空区，层间距平均23 m 左右。C3-5#层采用综放开采工艺，平均采高18 m，其中8104 面于2014 年5 月采完，8105 面于2013 年7 月回采完毕。煤层厚度1.0～5.7 m，平均3.61 m。煤层倾角1～3°，平均2°。工作面走向长1 802～1 809 m，平均1 805.5 m，倾向长229.5 m。最大涌水量1 m3/min，正常涌水量0.3 m3/min。瓦斯分带为氮气甲烷带，相对涌出量4.07 m3/t，绝对涌出量17.12 m3/min。煤尘具有爆炸性，火焰长度＞400 mm，自燃发火期2.8 个月。地温21.3°。掘进断面为9 100 mm×3 850 mm，采用锚网+锚索梁+锚索组+单体液压支柱+木垛联合支护。

2 切巷安全快速掘进的工艺分析

2.1 巷道掘进时围岩应力分布规律

在巷道开掘以前通常处于弹性变形状态岩体的原始应力等于上部覆盖岩层的重量，巷道开掘后原岩应力重新分布,巷道围岩内出现应力集中。如果围岩应力小于岩体强度,围岩仍处于弹性状态；如果围岩应力大于岩体强度，巷道围岩会产生塑性变形,从巷道周边向围岩深处扩展到一定范围，出现塑性变形区。塑性区内圈的围岩强度明显削弱，低于原始应力，围岩发生破裂称为破裂区，也叫卸载和应力降低区。塑性区外圈的应力高于原始应力，为承载区，也称应力增高区。巷道围岩从外向里形成破碎区、塑性区、稳定区（原始应力区）［2-3］。

2.2 巷道回采时围岩应力分布规律

巷道回采过程破坏了原岩应力场的平衡状态,引起应力重新分布。煤层开采以后，采空区重量将向采空区周围新的支承点转移，从而在采空区四周形成支承压力带。工作面前方形成超前支承压力，它随着工作面推进而向前移动，称为移动性支承压力或临时支承压力；工作面倾斜和仰斜方向及开切眼侧煤体上形成的支承压力，在工作面采过一段时间后，不再发生明显变化，称为固定支承压力或残余支承压力；回采工作面采过一定距离后,采空区上覆岩层活动将趋于稳定，采空区内某些地带冒落矸石被逐渐压实,使上部未冒落岩层在不同程度上重新得到支撑，因此，在距工作面一定距离的采空区内，也可能出现较小的支承压力，称为采空区支承压力［3-4］。

2.3 巷道围岩原始应力分布规律

巷道围岩的原始应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的，包括地质构造发生过程中在地下岩体内所产生的应力及已结束的地质构造运动残留于岩体内部的应力。一般规律为：原始应力场内铅直应力基本上等于上覆岩层重量，水平应力一般为铅直应力的0.5～5.5 倍，因此以水平应力为主，且具有明显的方向性和区域性。目前大同矿区水平构造应力较大,最大水平挤压应力方向基本上为SE—NW 向,走向位于N—W向,在324.9～331.7°范围内变化,其最大水平主应力数值大小在12.05～13.11 MPa范围内变化［4-5］。

2.4 巷道围岩变形规律

根据“关键层”［2］和“砌体梁”［3］理论得出：巷道围岩变形由掘进时的变形+回采时的变形+采掘影响稳定后的围岩流变组成，具体见图2所示［5-6］。

图2 巷道围岩变形规律

2.5 解决方案——采用“先同后异平齐法”掘进工艺

根据以上理论分析得出，采用“先同后异平齐法”掘进工艺：“先同”：邻面切巷先作为同巷掘进；“后异”：之后分时段扩切；“平齐法”：两个面的切眼巷对齐的方法，可以实现无煤柱沿空留巷方式下切巷的安全快速掘进。

2.5.1 先同

在掘进影响区（Ⅰ）掘两个面的切眼导向硐，不仅保证出面速度快，且一次成巷、不出现二次扰动，从而减少了交岔区域即“对门”巷道的多次、多重补强支护。

2.5.2 后异

在掘进影响稳定区（Ⅱ）扩刷上区段面的切眼巷，在回采影响稳定区（Ⅳ）扩刷下区段面的切眼巷，实现安全快速掘进。

2.5.3 平齐法

两个邻采面的切眼对齐，根据围岩及原始应力分析，只有切眼平齐，才能实现在掘进期间、邻面回采期间、本面初采期间下区段切眼巷处于矿压稳定卸载区，实现安全开采。

3 同忻矿C8#层北一盘区8105工作面实践验证

3.1 “先同后异”掘切巷

同：第同①时间段：2020年8月1日开始掘8105切眼巷，至2020年9月17日掘通。

第同①时间段：2020 年9 月18 日开始掘8104 切眼巷，至2020年10月31日掘通。

异：第异②时间段：2020 日11 月1 日~11 月3 日搬家准备；2020年11月4日至2020年12月5日扩刷8105切眼巷完毕。

第异③时间段：2021 年3 月10 日至2021 年4 月10日扩刷8104切眼巷完毕。

图3为“先同后异”切眼施工示意图。

图3 “先同后异”切眼施工示意图

3.2 “平齐法”掘切巷

8105和8104面切眼平齐，与水平应力方向约30～60°，根据水平应力对巷道稳定程度的影响主要随夹角正弦值的平方变化规律得出水平应力对巷道稳定性的影响基本无明显变化［7］。同时当8105 工作面采完后，整个北一盘区的8#层的下位关键层以砌体梁的形式进行围岩运动，对8104 面的开采起到了卸压的作用，使其开采期间的矿山压力降低。北一盘区C8#层邻面卸压示意图如图4所示。