高应力综采工作面快速过底板空巷技术研究

杨向浩，陈广帅

(1. 霍州煤电集团 辛置煤矿，山西 霍州 031400； 2. 霍州煤电集团 技术研究院，山西 霍州 031400)

综采工作面回采推进过程中经常会遇到通过老旧空巷的技术难题，遗留老旧空巷因长时间密闭通常造成原有支护实效，顶板破碎下沉、巷道变形等矿压显现现象，因此在过遗留老旧空巷过程中如何实现空巷顶板的有效管控是关键。工作面顶板控制的难易程度与空巷宽度、空巷冒落空间几何尺寸以及空巷交汇角度有关，最困难的情况是工作面与空巷平行[1]. 张自政[2]通过采用高水材料充填空巷的方法，保证了空巷顶板的稳定性。曹义勇[3]通过在西曲矿过空巷实践中加注马丽散的方法，提高煤体自承力，控制巷道顶板垮落。郑文翔[4]通过对空巷顶板稳定性分析，认为当工作面距空巷距离大于50 m时，巷道顶板稳定性不受采动影响。谢生荣等[5]提出了在过空巷合理的时空节点上采用停采等压、注浆固结修复等综合控制技术，解决了综放工作面过空巷的相关技术难题。虽然通过加强空巷顶板支护强度能够提高顶板稳定性，但投入成本及工时消耗较多，如何在控制成本的前提下高效快速通过老旧空巷仍是急需解决的难题。同时，长时间遗留的空巷在巷道变形和巷修过程中，造成巷道顶底板与煤层顶底板之间存在一定落差，如何实现综采工作面过老旧空巷时的平稳过渡是急需解决的又一技术难题。

1 概 况

以某矿2-109 A综采工作面过平行于切巷的老旧空巷为例，研究探讨综采工作面如何安全快速通过底板空巷。2-109 A综采工作面位于该矿一采区中部，地应力测试表明，单轴抗压强度为20～40 MPa，属高应力区。

1.1 工作面概况

2-109 A综采工作面走向长度975 m，切巷长度52 m，煤层厚度4.1 m，煤层倾角2°～10°，直接顶为泥岩、砂泥岩，厚度为0～7.5 m，基本顶为K8中细砂岩，厚度为6～8 m，底板为泥岩、中砂岩。

1.2 空巷情况

所过空巷为矩形巷道，巷道宽度3.5 m，高度3.6 m，巷道长度52 m，工作面所需通过空巷与工作面切巷平行，原有支护形式为锚杆、锚索联合支护方式。2-109 A工作面示意图见图1.

1.3 存在问题

1) 由于空巷密闭时间较长，造成巷道围岩压力显现，巷道顶板下沉变形，底板鼓起，两帮出现不同程度回缩，部分区段顶板破碎严重，出现锚杆、锚索失效现象。

图1 2-109 A工作面示意图

2) 运输巷煤层底板标高高于空巷巷道底板标高3 m，推进过程中如沿煤层底板推进，在运输巷揭露空巷时，工作面切巷底板将高出空巷底板3 m.

2 工作面推进过程中对空巷围岩影响分析

采用3DEC数值模拟软件，根据2-109 A工作面具体地质条件建立数值模型。沿工作面走向方向，模型长80 m；沿工作面倾向方向，宽1 m；沿垂直方向，高40 m. 根据工作面地质条件，设定2-109 A工作面底板距离空巷底板垂直距离为3 m，分析工作面推进过程中底板空巷围岩稳定情况，通过数值模拟计算，2-109 A工作面推至水平方向上距离空巷左帮20 m、10 m、5 m、0 m时空巷围岩变形及应力情况见图2，图3.

图2 工作面迎头水平距离巷道左帮15 m、5 m、0 m时围岩位移情况图

图3 工作面迎头水平距离巷道左帮15 m、5 m、0 m时围岩垂直应力分布情况图

由图2和图3可以看出，当工作面推至水平距离空巷左帮15 m时，空巷顶板中部开始出现明显破坏，巷道顶底板均出现明显的塑性区，变形较大。随着工作面的推进，空巷顶底板塑性区面积不断扩大，工作面推至水平距离空巷左帮5 m时，空巷顶板出现大范围的塑形破坏区，塑形破坏区深度在4～4.5 m，1～1.5 m内顶板开始逐渐破坏垮落。工作面推至空巷左帮顶部时，空巷顶板出现大范围的变形、垮落。

由数值模拟结果可以看出，若工作面沿煤层一直向前推进，当工作面推至空巷左帮上部时，空巷顶板已经处于不充分垮落状态。此时，工作面底板与巷道底板垂直距离为3 m，巷道底板上散落着顶板掉下的浮矸，致使工作面采煤机与支架无法通过，而且存在空顶作业的风险。所以要采取必要的措施，重新规划采煤工艺，保障工作面在安全生产的前提下正常回采。

3 工作面过空巷技术措施

3.1 加强空巷支护强度

在工作面距离空巷100 m，空巷顶板未受采动压力传递影响前，使用方木在空巷支设木垛，在顶板离层破碎处采用补打锚索等方法提前进行支护，保证空巷支护强度，有效防止空巷顶板在受到采动影响下进一步出现顶板离层下沉破坏。空巷木垛支设示意图见图4.

图4 空巷木垛支设示意图

木垛紧贴巷帮交错布置，每隔2.5 m搭设一木垛。搭设木垛所用方木为1 200 mm×180 mm×200 mm和1 200 mm×180 mm×200 mm的长方木，呈井字型搭设，在基本支护的下方顺巷码放底层，然后再垂直于巷道方向在底层上码放第二层，按此顺序一层一层地码到接紧顶板为止。在靠顶板的二或三层间各角打好加紧楔子。在回采过程中，当工作面揭露空巷时，对空巷支设木垛进行逐步拆除回收，实现回采溜子顺利推移，支架有效控顶。

3.2 工作面调斜

空巷在回风巷口处超前运输巷巷口5 m，在工作面推进过程中，根据工作面煤层倾向角度对工作面进行调斜，使回采机尾超前5 m推进，确保工作面在回采机尾处首先揭露空巷。采取工作面调斜的方式揭露空巷，能够减小空巷揭露面积，同时有效防止推进过程中回采溜子出现下滑，在回采机尾支架推移护顶后再逐步向前揭露，防止一次性揭露空巷造成空巷顶板大面积空顶引起顶板垮落事故。

3.3 加快工作面推进速度

为确保工作面通过空巷期间顺利推进，防止工作面在揭露空巷后因发生机电事故造成工作面推进停滞，空巷顶板长时间空顶暴露，引起顶板事故，在工作面揭露空巷前对工作面液压系统、采煤机、回采溜子等核心设备进行全面充分检修，确保机电设备的完好运行及生产组织连续性。在工作面揭露空巷后，有计划地缩短设备检修时间，加快工作面推进速度，在工作面超前支承压力未完全显现释放前顺利通过空巷，缓和顶板变化，减小顶板下沉量。

3.4 工作面破底留顶煤

由于煤层赋存条件限制，空巷底板标高低于煤层底板标高3 m，如沿煤层底板推进，当工作面回采机头处揭露空巷时，工作面回采溜子、液压支架底座将处于空巷底板之上。因此，为确保工作面综采设备平稳安全过渡，在工作面推进过程中提前对工作面留顶煤破底，逐步降低切巷底板标高，同时提前在工作面备用道木，在揭露空巷时如出现切巷底板标高高于空巷底板标高时，通过在回采溜子、支架底座下方垫设道木，填充浮渣，保证工作面回采溜子、液压支架的平稳过渡。

4 结 论

通过对高应力条件下快速通过大断面老旧空巷技术的研究，实现了开采技术创新在现场实践中的成功应用，有效延长了回采工作面长度，对于提高煤炭资源的开采率具有重要意义，同时在生产过程中积累了综采工作面快速过空巷的经验：

1) 通过提前在空巷内搭设木垛，能有效防止空巷顶板在揭露前发生进一步离层下沉，起到对空巷顶板的有效管控。

2) 当工作面与空巷平行时，推进过程中对工作面进行调斜，使工作面逐步揭露空巷，减小工作面与空巷的交汇角度，防止空巷顶板岩层与工作面平行断裂。

3) 通过提前对工作面机电设备及液压系统的检修，在揭露空巷期间加快工作面推进速度有效缓和顶板变化，减小顶板下沉量，保证工作面顺利通过空巷。

4) 通过提前采用破底留顶煤的方式降低煤层底板标高，使综采工作面实现在空巷底板落差达到3 m情况下的平稳过渡。