閆騰騰

(山西西山煤電股份有限公司 西曲礦,山西 古交 030200)

由于歷史小煤窯無序開采或工作面布置及接續(xù)等原因,后期工作面推采過程中常常遇到過空巷的情況。長壁工作面過空巷一直以來是回采過程中的難題,往往會減緩?fù)七M(jìn)速度、延長循環(huán)周期、頂板來壓顯現(xiàn),對頂板控制、巷道支護(hù)等都是極大考驗(yàn),如果處理不得當(dāng)、不及時,容易造成惡性循環(huán)。因此,有必要對回采工作面的過空巷規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié),保證安全生產(chǎn)。本文在分析西曲礦28307工作面過空巷期間的技術(shù)措施,通過28307綜采面順利完成過空巷并貫通的實(shí)踐,優(yōu)化了空巷內(nèi)支護(hù)方案,并通過調(diào)斜、提前觀察周期來壓、加快組織生產(chǎn)等措施,確保了綜采工作面安全、順利、快速地通過空巷。

1 工作面及空巷概況

西曲礦28307工作面主采8#煤層,煤層厚度為3.8 m～4.4 m,平均厚度4.2 m,煤層厚度穩(wěn)定。8#煤層整體西南傾向,煤層傾角1°～11°,平均傾角4°。煤層結(jié)構(gòu)簡單,中部普遍含有一層泥巖夾矸,夾矸厚度變化不明顯。煤層直接頂為石灰?guī)r,厚度平均3.85 m,直接底為中粒砂巖,厚度平均2.08 m。28307工作面地表蓋山厚度為180 m～226 m,且無公路及建筑物。工作面北部為28405工作面采空區(qū),南部為983運(yùn)輸大巷,西部為28308掘進(jìn)工作面。距工作面上部約78 m為2.3#煤層的22301、22302、22303工作面采空區(qū);距工作面上部約65 m為4#煤層的24302、24303工作面采空區(qū)。各工作面均留設(shè)保護(hù)煤柱,且對8#煤層回采無影響。

28307工作面在設(shè)計時,考慮到E2347陷落柱對工作面推進(jìn)的影響,設(shè)置了外切眼進(jìn)行回采,如圖1所示。但是在工作面的回采過程中,為保障工作面安全高效的推進(jìn),需要過空巷道,28307補(bǔ)切眼長度31 m、高度5 m、寬度7 m;28307過完無炭柱(無煤柱沿工作面推進(jìn)方向30.2 m,影響最大范圍12架)后剩余約9 m割透空巷。

圖1 空巷情況Fig.1 Abandoned roadway

2 工作面過空巷基本頂破斷特征及礦壓分析

2.1 基本頂斷裂特征

隨著28307綜放工作面逐漸向前推進(jìn),工作面和空巷之間的煤柱寬度逐漸減小,如圖2所示，超前支承壓力的作用使得煤柱易破碎、變形,進(jìn)而增加基本頂B在空巷上方斷裂的可能性,形成圖2-b中的結(jié)構(gòu),造成頂板壓力的突然增大,頂板礦壓劇烈顯現(xiàn)[1-4],增大風(fēng)險事故的發(fā)生,因此避開28307綜放工作面上覆基本頂?shù)闹芷趤韷汉捅ＷC空巷有足夠的支護(hù)強(qiáng)度是順利通過空巷的關(guān)鍵因素[5]。

2-a 基本頂斷裂前

2-b 基本頂斷裂后圖2 基本頂過空巷受力分析示意圖Fig.2 Stress analysis when main roof passing through the abandoned roadway

2.2 工作面周期來壓

28307工作面基本頂周期來壓情況如表1所示。

表1 周期來壓匯總表Table 1 Periodic weighting

由表1可知,28307綜放工作面基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄嗉s為25 m。當(dāng)工作面距離空巷60 m時,基本頂大約會發(fā)生2次周期來壓,因此當(dāng)綜放工作面距離空巷10 m時,要采取加快工作面推進(jìn)的方法,避免基本頂發(fā)生周期來壓對工作面過空巷產(chǎn)生影響,從而使工作面順利通過空巷[6]。

2.3 支架下沉量監(jiān)測

12月26日28307綜放工作面與外切眼煤柱距離為12 m;12月27日28307綜放工作面與外切眼煤柱距離為6 m;12月28日28307綜放工作面與外切眼煤柱距離為4.5 m。

28307工作面每3架液壓支架布置1個測點(diǎn),共計7個支架,記錄液壓支架立柱紅色邊沿到支架頂部行程的距離,單位cm,共觀測4個班的數(shù)據(jù),如圖3所示。

相鄰兩個生產(chǎn)班液壓支架立柱的下沉量的變化如表2所示。12月26日與12月25日相比,液壓支架的立柱下沉變化不大,觀測范圍內(nèi)立柱的最大下沉量為22 cm,最小下沉量僅為-5 cm,整體范圍內(nèi)液壓支架處于動態(tài)穩(wěn)定。在12月27日液壓支架立柱的下沉量較12月26日發(fā)生了明顯的變化,觀測范圍內(nèi)立柱的最大下沉量為63 cm,最小下沉量為4 cm,在12月28日,觀測范圍內(nèi)液壓支柱的下沉量均為負(fù)值,說明液壓支架的立柱發(fā)生回縮,此時28307綜放工作面基本頂發(fā)生周期來壓,當(dāng)28307綜放工作面逐漸接近空巷,外切眼煤柱距離為4.5 m時,基本頂發(fā)生周期破斷,要密切關(guān)注支架的下沉,避免支架被壓死。

圖3 液壓支架立柱下沉量Fig.3 Sunk volume of hydraulic support

架號12月26日與12月25日比較/cm12月27日與12月26日比較/cm12月28日與12月27日比較/cm3-1463-206835-89-2236-34121019415-562-13181932-142164-10

注:正值為立柱伸出距離,負(fù)值為立柱回縮距離,統(tǒng)稱為立柱下沉量。

2.4 外切眼巷道變形觀測

外切眼、補(bǔ)巷和正巷共布置9個測點(diǎn),其中1、2、3、4、8、9號測點(diǎn)布置在外切眼,5號測點(diǎn)布置在補(bǔ)巷,6、7號測點(diǎn)布置在正巷,觀測數(shù)值為巷道頂?shù)装甯叨?單位m。12月27日隨著工作面的推進(jìn),7號測點(diǎn)因距工作面近,不再測量?？障锴肮ぷ髅婺壳盁o構(gòu)造。12月28日隨著工作面的推進(jìn),5、6號測點(diǎn)因距工作面近,不再測量。空巷前工作面無構(gòu)造。外切眼巷道觀測高度如圖4所示。

圖4 外切眼巷道觀測高度Table 4 Observation height for external cutting in roadways

由圖4可知,隨著工作面的不斷推進(jìn),外切眼的巷道高度不斷減小,巷道頂、底板之間的下沉量達(dá)到100 mm,一部分單體液壓支柱鉆底量達(dá)到150 mm,一部分單體液壓支柱出現(xiàn)壓彎變形的現(xiàn)象,外切眼回采幫煤壁裂隙發(fā)育。因此,要特別注意外切眼內(nèi)頂板的維護(hù)及回采幫煤壁的支護(hù)。

3 過空巷采取的措施

3.1 加強(qiáng)支護(hù)

28307工作面正巷采用錨索、工字鋼梁配合單體液壓支柱的支護(hù)方式。因此對28307補(bǔ)切眼補(bǔ)打錨索,錨索間排距為2 000 mm×2 000 mm,同時打設(shè)單體并加套工字鋼梁,棚梁垂直于28307綜放工作面,在棚梁下方打設(shè)單體,單體必須穿鞋,單體之間采用軟連接,另外在28307補(bǔ)切眼內(nèi)距離無炭柱煤幫300 mm的位置打設(shè)長度為10 m的錨索,錨索間距2 000 mm,錨索與水平方向呈75°,28307補(bǔ)切眼巷道支護(hù)斷面如圖5所示。而在28307補(bǔ)巷靠近28307綜放工作面20 m范圍內(nèi)打設(shè)單體并加套工字鋼梁維護(hù),同時配合長度為4 m的礦用11#工字鋼棚梁,補(bǔ)巷超前維護(hù)段平面圖如圖6所示。

圖5 28307補(bǔ)切眼支護(hù)斷面Fig.5 Supporting cross-section of reinforcement cutting of No.28307 working face

圖6 補(bǔ)巷超前維護(hù)段平面圖Fig.6 Pre-maintenance section of reinforcement roadway

3.2 調(diào)斜工作面

一般情況下,采煤工作面過空巷期間,應(yīng)將刮板運(yùn)輸機(jī)調(diào)斜,盡量減少過空巷的揭露面積,調(diào)斜角度越大,空巷的揭露面積越小[7]。

為保證工作面兩端頭安全出口,防止運(yùn)輸機(jī)竄頭或竄尾,工作面推進(jìn)到離空巷30 m處時,調(diào)斜輸送機(jī)時決定先擺機(jī)尾,即機(jī)尾超前機(jī)頭往前推。輸送機(jī)擺動角度一般在4°～6°之間(擺動角度太大容易造成竄頭或竄尾)。工作面調(diào)斜驗(yàn)算示意圖如圖7所示。

圖7 調(diào)斜驗(yàn)算示意圖Fig.7 Slope adjustment checking

28307工作面長度為180 m,則刮板輸送機(jī)實(shí)際長度為184 m,其中機(jī)尾超出工作面長度為2 m,機(jī)頭超出工作面長度為2 m。

現(xiàn)假設(shè)機(jī)尾超前機(jī)頭9 m,由圖7關(guān)系可知,AB表示工作面長度180 m,AC表示機(jī)尾超前機(jī)頭9 m,根據(jù)勾股定理求得BC為180.22 m,則工作面輸送機(jī)調(diào)斜后長度變?yōu)?80.22 m。與刮板輸送機(jī)調(diào)成最大角度的長度相比,180.22 m<184 m,調(diào)斜后的角度α為5°,滿足刮板輸送機(jī)性能,因此選擇9 m合理。

在工作面距離過空巷還有20 m時,調(diào)斜輸送機(jī)擺機(jī)頭,即機(jī)頭超前機(jī)尾往前推,盡量地減少過空巷的揭露面積,等過完空巷之后,再進(jìn)行調(diào)正,恢復(fù)刮板輸送機(jī)原來的作業(yè)方式[8]。

3.3 工作面頂、底板的控制

由于空巷底板位置(為煤底)高于28307綜放工作面底板,高差為0.5 m～2 m,因此當(dāng)工作面距離空巷20 m時,工作面要開始爬升留底。通過空巷時必須保證工作面底板同空巷一致。防止出現(xiàn)揭露空巷時工作底板與空巷底板形成負(fù)臺階而使生產(chǎn)不能順利進(jìn)行[9]。

過空巷時,所有液壓支架保證完好,嚴(yán)密接頂,初撐力達(dá)到額定值,泵站壓力達(dá)到30 MPa。在空巷處監(jiān)測到液壓支架最大工作阻力達(dá)32 MPa。過空巷時,工作面保證快速推進(jìn),減少在空巷下的停留時間,以免空頂大、時間長,造成漏頂事故[10]。

4 支護(hù)效果及改進(jìn)建議

28307空巷過至剩余2 m～3 m時,頂板來壓顯現(xiàn),出現(xiàn)滾幫和底鼓現(xiàn)象,部分單體鉆底超過500 mm。鑒于此次出現(xiàn)滾幫、鉆底等情況,考慮以后過空巷時,在空巷頂板穩(wěn)定巖層打齊錨索,并加密單體液壓支柱(將后部間距1 m加密為0.8 m)，如圖8所示。并在過空巷前定期觀測頂板壓力情況,加強(qiáng)分析和預(yù)測頂板周期來壓,加快組織生產(chǎn),以避開頂板周期來壓。

圖8 單體加密后的支護(hù)斷面Fig.8 Supporting cross-section after single component density increased

5 結(jié)論

根據(jù)以西曲礦28307綜放工作面過空巷的工程實(shí)際為背景,通過對28307綜放工作面進(jìn)行礦壓觀測,提出工作面過空巷時應(yīng)該采取的措施，得出如下結(jié)論:

1)通過對工作面基本頂進(jìn)行礦壓觀測,得到基本頂周期來壓步距約為25 m,因此在工作面距離空巷60 m時要采取加快工作面推進(jìn)的方法來避免基本頂周期來壓對工作面過空巷產(chǎn)生的影響。

2)通過對液壓支架立柱下沉量進(jìn)行觀測,當(dāng)較大范圍內(nèi)液壓支架立柱發(fā)生回縮時,要密切關(guān)注支架的下沉,避免支架被壓死。

3)通過對外切眼巷道變形進(jìn)行觀測,當(dāng)外切眼的巷道高度不斷減小且回采幫煤壁裂隙發(fā)育,要特別注意外切眼內(nèi)頂板的維護(hù)及回采幫煤壁的支護(hù)。

4)通過現(xiàn)場的礦壓觀測,當(dāng)工作面過空巷時,提出了加強(qiáng)支護(hù)、工作面調(diào)斜和工作面頂?shù)装蹇刂频姆椒?并對外切眼支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化,取得了良好的效果。