特厚煤层综放开采孤岛工作面巷道强矿压控制技术研究

塔山矿及麻家梁矿均属大同煤矿集团的千万吨矿井，塔山矿8204-2工作面及麻家梁矿14203-1工作面均为双侧临空孤岛工作面，其中塔山矿8204-2工作面是塔山矿的第一个双侧临空综放工作面，其两侧分别为8204 工作面及8202 工作面，8204 工作面及8202 工作面分别于2015年及2012年回采完毕，该工作面所处的采掘工程环境复杂多变，掘进及回采期间将经历多次边界条件变化，例如沿空掘巷阶段、实体煤掘巷阶段、工作面实体煤回采阶段、工作面过断层阶段、工作面经历区段煤柱宽度连续变化阶段、工作面由实体煤到临采空区回采阶段以及工作面宽度尺寸变化阶段（刀把式工作面）等。其中工作面区段煤柱宽度连续变化阶段对于研究煤柱宽度与巷道围岩的稳定性关系提供了一个极佳的平台，通过应力场分布特征、巷道围岩状态的分析，确定既能起到防冲增稳又能有效隔离采空区的合理煤柱宽度。2018年12月，预防性地在塔山矿5204-2 巷两帮施工大直径卸压钻孔，使5204-2 巷道周边煤体围岩塑性破坏，减轻支护压力。如图1 所示。

图1 巷道进行帮部卸压

2019年3月，工作面回采过程中，受应力叠加以及断层构造影响，2204-2运输巷在超前工作面80 m范围发生明显的片帮及底鼓，运输机倾斜，行走困难，工作面推进缓慢，影响工作面安全生产及工作人员的安全通行，由于2204-2巷为运输巷，不适合大型机械作业，因此在巷道底板开挖卸压槽，释放围岩应力。如图2所示。

图2 巷底卸压槽

14203-1 工作面是麻家梁矿井二采区14205 回采工作面的接替面，两侧均为采空区为孤岛工作面。由于孤岛工作面上覆岩层活动规律与非孤岛形式下开采大不相同，导致工作面矿压显现剧烈、巷道围岩破坏严重，因此孤岛工作面开采的危险程度要比非孤岛工作面的大，同时孤岛工作面采场的支护强度要比巷道高很多，所以孤岛工作面开采研究的重点实际上是回采巷道的围岩控制。

针对以上工程实际，同煤集团联合河南理工大学的科研团队，展开技术攻关，对塔山8204-2 孤岛工作面以及麻家梁煤矿14203-1孤岛工作面回采巷道布置开展深入的研究工作，通过相关的数学、力学理论进行分析以及数值模拟实验对其综合研究，系统研究了沿空巷道煤柱宽度与巷道围岩稳定性的关系、特厚煤层高强度开采沿空侧覆岩结构特征与小煤柱矿压显现的时空强关系、孤岛工作面高强度开采安全控制技术，从而形成了特厚煤层孤岛工作面开采小煤柱沿空掘巷成套技术，实现了巷道围岩的有效控制，满足了孤岛工作面复杂条件下安全开采的需要。

本项目取得了如下创新性成果：

（1）通过分析孤岛工作面岩层运动规律以及应力场的运移规律，对比塔山麻家梁矿现场矿压规律实测数据，对特厚煤层孤岛工作面高强度开采强矿压机理进行了研究。结果表明：特厚综放孤岛工作面在正常回采过程中，上覆煤岩层受回采扰动会渐次经历初次垮落及规律性破断。孤岛工作面的结构稳定性处于高应力状态下，采动影响更加剧烈，顶板冒落突然性加大，对孤岛工作面安全回采不利。麻家梁矿的地质条件下，孤岛工作面较非孤岛工作面矿压强度增加约8%。就目前麻家梁矿工作面支架及其他回采设备来讲，工作面内部矿压完全在可控范围内。而孤岛工作面矿压强度增加现象所带来的巷道难以维护的问题成为重点和难点。

（2）通过分析以塔山、麻家梁为背景下的工作面端部覆岩结构、端部应力场、煤柱及巷道力学特征及破坏机理、巷道合理位置等方面，来对孤岛工作面巷道强矿压治理方式方法进行研究。结果表明：塑性煤柱的变形可以有效缓解矿压显现强度，降低冲击矿压的发生可能性，使用宽度小的塑性煤柱，不仅有利于提高煤炭资源的利用率，而且能保持巷道和煤柱的稳定性，因此留设宽度较小的塑性煤柱更加符合现代化安全高产高效开采的要求，同时也是解决孤岛工作面强矿压现象的根本方法。塔山矿合理煤柱宽度为5.2 m～9.07 m，合理巷道掘进时间为相邻采空区回采结束后9 个月后；麻家梁矿合理煤柱宽度为5 m，实际留设宽度为7 m，合理巷道掘进时间为相邻采空区回采结束后5个月后。

（3）结合塔山、麻家梁矿的现场运用情况，对孤岛工作面回采巷道的安全防控技术措施的效果进行研究。结果表明：钻孔卸压、泄压槽卸压、卸压巷硐卸压以及高预应力强力支护技术措施对控制孤岛工作面小煤柱巷道的强矿压现象效果明显。

（4）通过总结之前的理论及现场实施情况，提出以塔山、麻家梁矿为例的特厚煤层孤岛工作面开采小煤柱沿空掘巷的加强支护形式以及孤岛工作面小煤柱沿空掘巷成套技术体系。主要包括：高预应力强力支护技术、小煤柱巷道硐室填充技术、水火瓦斯安全保障技术以及小煤柱巷道的综合监测技术。

项目研究成果在塔山矿8204-2 工作面及麻家梁矿14203-1 工作面进行了现场应用，共多回收原煤约147 万吨，节省煤柱及支护成本价值57092 万元，提高了煤炭回收率，降低了巷道的变形量，减少了巷道维护难度，在全断面喷浆后有效的隔绝了巷道与一侧采空区之间的气体交流，有效避免了瓦斯超标以及自然发火等问题，从而提高工作面的安全作业水平，实现了煤炭资源的安全高效开采。

本项目于2020年1月通过了中国煤炭工业协会组织的鉴定，获国际领先水平。