综放工作面过空巷技术研究与实践

闫腾腾

(山西西山煤电股份有限公司 西曲矿,山西 古交 030200)

由于历史小煤窑无序开采或工作面布置及接续等原因,后期工作面推采过程中常常遇到过空巷的情况。长壁工作面过空巷一直以来是回采过程中的难题,往往会减缓推进速度、延长循环周期、顶板来压显现,对顶板控制、巷道支护等都是极大考验,如果处理不得当、不及时,容易造成恶性循环。因此,有必要对回采工作面的过空巷规律和经验进行总结,保证安全生产。本文在分析西曲矿28307工作面过空巷期间的技术措施,通过28307综采面顺利完成过空巷并贯通的实践,优化了空巷内支护方案,并通过调斜、提前观察周期来压、加快组织生产等措施,确保了综采工作面安全、顺利、快速地通过空巷。

1 工作面及空巷概况

西曲矿28307工作面主采8#煤层,煤层厚度为3.8 m～4.4 m,平均厚度4.2 m,煤层厚度稳定。8#煤层整体西南倾向,煤层倾角1°～11°,平均倾角4°。煤层结构简单,中部普遍含有一层泥岩夹矸,夹矸厚度变化不明显。煤层直接顶为石灰岩,厚度平均3.85 m,直接底为中粒砂岩,厚度平均2.08 m。28307工作面地表盖山厚度为180 m～226 m,且无公路及建筑物。工作面北部为28405工作面采空区,南部为983运输大巷,西部为28308掘进工作面。距工作面上部约78 m为2.3#煤层的22301、22302、22303工作面采空区;距工作面上部约65 m为4#煤层的24302、24303工作面采空区。各工作面均留设保护煤柱,且对8#煤层回采无影响。

28307工作面在设计时,考虑到E2347陷落柱对工作面推进的影响,设置了外切眼进行回采,如图1所示。但是在工作面的回采过程中,为保障工作面安全高效的推进,需要过空巷道,28307补切眼长度31 m、高度5 m、宽度7 m;28307过完无炭柱(无煤柱沿工作面推进方向30.2 m,影响最大范围12架)后剩余约9 m割透空巷。

图1 空巷情况Fig.1 Abandoned roadway

2 工作面过空巷基本顶破断特征及矿压分析

2.1 基本顶断裂特征

随着28307综放工作面逐渐向前推进,工作面和空巷之间的煤柱宽度逐渐减小,如图2所示，超前支承压力的作用使得煤柱易破碎、变形,进而增加基本顶B在空巷上方断裂的可能性,形成图2-b中的结构,造成顶板压力的突然增大,顶板矿压剧烈显现[1-4],增大风险事故的发生,因此避开28307综放工作面上覆基本顶的周期来压和保证空巷有足够的支护强度是顺利通过空巷的关键因素[5]。

2-a 基本顶断裂前

2-b 基本顶断裂后图2 基本顶过空巷受力分析示意图Fig.2 Stress analysis when main roof passing through the abandoned roadway

2.2 工作面周期来压

28307工作面基本顶周期来压情况如表1所示。

表1 周期来压汇总表Table 1 Periodic weighting

由表1可知,28307综放工作面基本顶的周期来压步距约为25 m。当工作面距离空巷60 m时,基本顶大约会发生2次周期来压,因此当综放工作面距离空巷10 m时,要采取加快工作面推进的方法,避免基本顶发生周期来压对工作面过空巷产生影响,从而使工作面顺利通过空巷[6]。

2.3 支架下沉量监测

12月26日28307综放工作面与外切眼煤柱距离为12 m;12月27日28307综放工作面与外切眼煤柱距离为6 m;12月28日28307综放工作面与外切眼煤柱距离为4.5 m。

28307工作面每3架液压支架布置1个测点,共计7个支架,记录液压支架立柱红色边沿到支架顶部行程的距离,单位cm,共观测4个班的数据,如图3所示。

相邻两个生产班液压支架立柱的下沉量的变化如表2所示。12月26日与12月25日相比,液压支架的立柱下沉变化不大,观测范围内立柱的最大下沉量为22 cm,最小下沉量仅为-5 cm,整体范围内液压支架处于动态稳定。在12月27日液压支架立柱的下沉量较12月26日发生了明显的变化,观测范围内立柱的最大下沉量为63 cm,最小下沉量为4 cm,在12月28日,观测范围内液压支柱的下沉量均为负值,说明液压支架的立柱发生回缩,此时28307综放工作面基本顶发生周期来压,当28307综放工作面逐渐接近空巷,外切眼煤柱距离为4.5 m时,基本顶发生周期破断,要密切关注支架的下沉,避免支架被压死。

图3 液压支架立柱下沉量Fig.3 Sunk volume of hydraulic support

架号12月26日与12月25日比较/cm12月27日与12月26日比较/cm12月28日与12月27日比较/cm3-1463-206835-89-2236-34121019415-562-13181932-142164-10

注:正值为立柱伸出距离,负值为立柱回缩距离,统称为立柱下沉量。

2.4 外切眼巷道变形观测

外切眼、补巷和正巷共布置9个测点,其中1、2、3、4、8、9号测点布置在外切眼,5号测点布置在补巷,6、7号测点布置在正巷,观测数值为巷道顶底板高度,单位m。12月27日随着工作面的推进,7号测点因距工作面近,不再测量。空巷前工作面目前无构造。12月28日随着工作面的推进,5、6号测点因距工作面近,不再测量。空巷前工作面无构造。外切眼巷道观测高度如图4所示。

图4 外切眼巷道观测高度Table 4 Observation height for external cutting in roadways

由图4可知,随着工作面的不断推进,外切眼的巷道高度不断减小,巷道顶、底板之间的下沉量达到100 mm,一部分单体液压支柱钻底量达到150 mm,一部分单体液压支柱出现压弯变形的现象,外切眼回采帮煤壁裂隙发育。因此,要特别注意外切眼内顶板的维护及回采帮煤壁的支护。

3 过空巷采取的措施

3.1 加强支护

28307工作面正巷采用锚索、工字钢梁配合单体液压支柱的支护方式。因此对28307补切眼补打锚索,锚索间排距为2 000 mm×2 000 mm,同时打设单体并加套工字钢梁,棚梁垂直于28307综放工作面,在棚梁下方打设单体,单体必须穿鞋,单体之间采用软连接,另外在28307补切眼内距离无炭柱煤帮300 mm的位置打设长度为10 m的锚索,锚索间距2 000 mm,锚索与水平方向呈75°,28307补切眼巷道支护断面如图5所示。而在28307补巷靠近28307综放工作面20 m范围内打设单体并加套工字钢梁维护,同时配合长度为4 m的矿用11#工字钢棚梁,补巷超前维护段平面图如图6所示。

图5 28307补切眼支护断面Fig.5 Supporting cross-section of reinforcement cutting of No.28307 working face

图6 补巷超前维护段平面图Fig.6 Pre-maintenance section of reinforcement roadway

3.2 调斜工作面

一般情况下,采煤工作面过空巷期间,应将刮板运输机调斜,尽量减少过空巷的揭露面积,调斜角度越大,空巷的揭露面积越小[7]。

为保证工作面两端头安全出口,防止运输机窜头或窜尾,工作面推进到离空巷30 m处时,调斜输送机时决定先摆机尾,即机尾超前机头往前推。输送机摆动角度一般在4°～6°之间(摆动角度太大容易造成窜头或窜尾)。工作面调斜验算示意图如图7所示。

图7 调斜验算示意图Fig.7 Slope adjustment checking

28307工作面长度为180 m,则刮板输送机实际长度为184 m,其中机尾超出工作面长度为2 m,机头超出工作面长度为2 m。

现假设机尾超前机头9 m,由图7关系可知,AB表示工作面长度180 m,AC表示机尾超前机头9 m,根据勾股定理求得BC为180.22 m,则工作面输送机调斜后长度变为180.22 m。与刮板输送机调成最大角度的长度相比,180.22 m<184 m,调斜后的角度α为5°,满足刮板输送机性能,因此选择9 m合理。

在工作面距离过空巷还有20 m时,调斜输送机摆机头,即机头超前机尾往前推,尽量地减少过空巷的揭露面积,等过完空巷之后,再进行调正,恢复刮板输送机原来的作业方式[8]。

3.3 工作面顶、底板的控制

由于空巷底板位置(为煤底)高于28307综放工作面底板,高差为0.5 m～2 m,因此当工作面距离空巷20 m时,工作面要开始爬升留底。通过空巷时必须保证工作面底板同空巷一致。防止出现揭露空巷时工作底板与空巷底板形成负台阶而使生产不能顺利进行[9]。

过空巷时,所有液压支架保证完好,严密接顶,初撑力达到额定值,泵站压力达到30 MPa。在空巷处监测到液压支架最大工作阻力达32 MPa。过空巷时,工作面保证快速推进,减少在空巷下的停留时间,以免空顶大、时间长,造成漏顶事故[10]。

4 支护效果及改进建议

28307空巷过至剩余2 m～3 m时,顶板来压显现,出现滚帮和底鼓现象,部分单体钻底超过500 mm。鉴于此次出现滚帮、钻底等情况,考虑以后过空巷时,在空巷顶板稳定岩层打齐锚索,并加密单体液压支柱(将后部间距1 m加密为0.8 m)，如图8所示。并在过空巷前定期观测顶板压力情况,加强分析和预测顶板周期来压,加快组织生产,以避开顶板周期来压。

图8 单体加密后的支护断面Fig.8 Supporting cross-section after single component density increased

5 结论

根据以西曲矿28307综放工作面过空巷的工程实际为背景,通过对28307综放工作面进行矿压观测,提出工作面过空巷时应该采取的措施，得出如下结论:

1)通过对工作面基本顶进行矿压观测,得到基本顶周期来压步距约为25 m,因此在工作面距离空巷60 m时要采取加快工作面推进的方法来避免基本顶周期来压对工作面过空巷产生的影响。

2)通过对液压支架立柱下沉量进行观测,当较大范围内液压支架立柱发生回缩时,要密切关注支架的下沉,避免支架被压死。

3)通过对外切眼巷道变形进行观测,当外切眼的巷道高度不断减小且回采帮煤壁裂隙发育,要特别注意外切眼内顶板的维护及回采帮煤壁的支护。

4)通过现场的矿压观测,当工作面过空巷时,提出了加强支护、工作面调斜和工作面顶底板控制的方法,并对外切眼支护进行优化,取得了良好的效果。