经纺矿3-802工作面过空巷矿山压力分析及防治措施

李士杰

(山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100)

我国由于诸多历史原因，采用的房柱式、巷柱式等不规范开采方法及小煤窑开采，导致了大量资源破坏及浪费。现阶段通过长壁开采法来回收这些资源时，工作面回采时不可避免地要与存留的空巷交会。由于空巷的围岩性质极差，在工作面推进到巷道附近时煤柱破碎，严重破坏顶板的稳定性，对矿井的高产高效带来严重威胁[1-6]。本文基于经坊矿3-802工作面工程地质条件，对工作面过空巷时围岩的应力及破坏特征进行研究分析。

1 工程概况

本文的研究对象为经坊矿3-802工作面，该工作面采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤工艺回采，采用全部垮落法管理顶板，工作面走向长度1 170 m，倾向长度213 m.北侧邻近3-803工作面(已采)，南侧邻近矿界保安煤柱和华昇荣煤矿采空区，西侧邻近陶清河河道，东侧与八采区轨道、回风巷相连通。地面标高+921～+945 m，工作面底板标高+490～+570 m；所采3号煤层厚度5.9～6.3 m，平均6.2 m；煤层倾角2～8°，平均5°；煤为黑色，块状、粉末状，以亮煤为主。工作面煤层顶底板情况如图1所示。瓦斯绝对涌出量11.04 m3/min，瓦斯相对涌出量2.45 m3/t，具有爆炸性，不易自燃。

图1 煤层顶底板岩性

根据3-802综采工作面采掘情况，工作面回采至445 m处时，94号液压支架至95号液压支架处揭露空巷。空巷沿底板掘进，空巷为矩形，断面为8.4 m2(3 m×2.8 m)，长度为161 m，采用玻璃钢锚杆+塑料网+锚索支护。工作面及空巷位置见图2.

图2 工作面及空巷位置图

2 工作面顶板断裂位置

工作面推进时，随着顶板暴露的面积不断增大，直接顶将在达到弯矩最大位置处发生初次断裂；之后随着工作面的不断推进，基本顶即发生周期破断。空巷条件下基本顶发生破断的位置[7]可以分为三种：①基本顶断裂位置位于空巷前方的实煤体当中；②基本顶破断位置位于空巷上部；③基本顶破断位置位于煤柱上方，如图3所示。破断位置的不同对空巷的影响有很大差异，当断裂线位于煤柱和空巷上方时，关键块体的回转会对空巷产生强烈的影响，空巷围岩破坏严重；当断裂线位于实体煤上方区时，关键块体空巷位于应力降低区，空巷围岩稳定性好。空巷上覆盖结构见图3.

工作面前方顶板的断裂位置大致为工作面超前支承压力峰值位置，参考文献[8]求得顶板的断裂位置为：

(1)

3 数值模拟

3.1 数值模型构建及方案

本文基于3-802工作面的煤层地质条件，利用FLAC3D数值计算软件研究该工作面过空巷前超前应力分布及空巷围岩变形破坏特征。建立图4所示的模型，模型沿走向长度为200 m、倾向100 m、高度55 m；模型的顶部施加均布载荷q=9.8 MPa，四周及底边固定位移，设定法向约束；工作面埋深度取430 m，侧压系数取1.2；各岩层采用的力学参数见表1，计算采用Mohr Coulomb强度准则，垮落带采用双屈服模型处理。

图4 数值模型

表1 数值计算模型中的煤岩体力学参数

3.2 工作面回采下煤体应力

图5为工作面推进不同距离时空巷与工作面前方煤体间的垂直应力分布曲线，工作面推进60 m时，空巷与工作面间煤柱应力曲线呈“马鞍型”。工作面前方应力峰值约30 MPa，应力影响范围约60 m，空巷基本不受工作面回采的影响。工作面推进85 m时，工作面前方应力峰值增加到约32 MPa，应力影响范围与推进60 m时基本一致。工作面推进110 m时，空巷与工作面间煤柱应力曲线仍然呈“马鞍型”，工作面前方应力峰值不再增加，此时空巷开始进入超前支承应力的影响范围内，空巷两帮应力有较小增加；工作面推进135 m时，煤柱应力曲线呈现单峰值，此时空巷两帮应力明显增大，均大于15 MPa；工作面推进150 m时，空巷处在超前应力峰值作用下，此时空巷两帮应力出现陡增，左帮达到27 MPa，右帮达到25 MPa；工作面推进156 m时，空巷右帮处在超前应力峰值作用下，垂直应力进一步增加到28 MPa，而空巷左帮煤柱处在应力降低区内，应力值较低。说明工作面推进到空巷附近时，围岩处在叠加高应力下。

3.3 工作面回采下空巷围岩破坏特征

图6为工作面推进不同距离下空巷围岩塑性破坏情况。推进60 m时，由于空巷未收到超前应力的影响，塑性区分布与空巷掘进期间一致，帮部塑性区深度2.5 m，顶板塑性区3 m，底板1.75 m.推进85 m时，由于空巷受超前应力的影响较小，塑性区范围增大，且开始呈不对称分布，帮部及顶板塑性区深度不变，底板增大了0.5 m，但空巷左上角围岩塑性区明显增大。之后随着工作面的持续推进，空巷的塑性破坏区不断增加，推进135 m时，左帮塑性区深度6.5 m，右帮塑性区深度3 m，顶板塑性区4 m，底板塑性破坏深度不变，但破坏范围更大。之后空巷在超前支承压力峰值的影响下，空巷围岩塑性破坏严重，塑性区与工作面塑性区贯通，空巷处在顶板断裂线以内，将受到顶板断裂块体回转影响，空巷变形剧烈。

4 工作面过空巷安全措施

工作面推进到靠近空巷时，由于空巷与工作面的煤柱较窄，受超前支承应力与空巷应力的叠加作用，煤柱处在破碎状态而失去其承载能力，直接顶及老顶在空巷上方破断，易导致顶板下沉，造成压架事故，还会引起片帮、底鼓造成严重的安全事故，因此需要采取安全措施来保证工作面过空巷时的安全性。

4.1 过空巷期间前期准备工作

1) 拆除空巷密闭，对空巷进行瓦斯排放。

2) 空巷贯通前，工作面从90号液压支架开始铺设金属网，随工作面推进，金属网逐步延伸至100号液压支架，顶板破碎时铺设双层金属网。铺网要求：联网采用16号铅丝，短边搭接300 mm，长边搭接100 mm，双边双联、隔孔相连、双丝双扣，所有铺设的金属网必须撑紧、铺平，不得出现坠包；移架工在移架过程中不准出现撕网现象。

3) 空巷采用玻璃钢锚杆+塑料网+锚索支护，空巷贯通前对空巷进行超前支护，支护方法为：采用直径不小于0.16 m、长度不小于3 m的圆木，配合1 000 mm×300 mm×100 mm的木质垫板垂直于空巷顶底板由外向里进行支设，每排支设2根，排距3 m，木点柱柱距1 m，距两帮各1 m .打设点柱时要使顶部的垛板紧贴顶板，柱底要打在硬底上，打稳打牢，如遇底板松软，必须“穿鞋”，柱鞋规格为300 mm×300 mm×100 mm.如空巷局部压力增大，致使点柱受挤压、变形、弯曲、柱体开裂等时要及时采取措施，加强该段支护。空巷临时支护示意见图7.

图7 空巷临时支护示意

空巷贯通后在空巷两头设置风障，切眼一侧的风障在保证空巷支护完好的情况下随工作面推进而不断向外移动，以保证工作面风流符合要求，同时要将此区域内木料、铁器等杂物清理干净，确保空巷内无任何物料。

4.2 过空巷期间安全措施

1) 对空巷区域顶板及煤帮要进行检查，发现问题及时处理。

2) 空巷及附近煤帮片帮严重时，要及时在支架护帮板上方上圆木维护顶板；煤帮滑坡时，片帮超过1个循环进度，要超前移架管理顶板；若超前移架后仍探不到煤帮，应根据现场情况使用单体液压支柱(垂直煤帮)配合半圆木顶住煤帮防止片帮加深。如出现漏顶现象，必须在支架前梁上用圆木维护。进行漏顶区域架棚抬棚(上料)管理顶板时，需等待顶板稳定后，先清理好退路，然后按照“先两边后中间”的原则，对工作面破碎区域进行逐架架棚和上料维护顶板作业。

3) 过空巷期间，泵站压力必须达到30 MPa,过空巷时，在顶板完好的情况下，支架前梁、前柱初撑力必须达到24 MPa，如顶板破碎时，视现场情况而定，要以保证支架平整度为主，不得强求支架初撑力而致使支架升得过高，活柱升脱。相邻支架间不能有明显错差(不超过支架前梁的2/3)，支架不挤、不咬，架间空隙不超过100 mm.并且加强液压系统的检修维护，严禁支架带病作业。空巷处移架时要带压移架，到位后要升紧所有立柱、千斤顶，保证支护效果。

4) 采煤机在过空巷时，要放缓采煤机速度，降低顶滚筒，防止滚筒将锚索托盘卷起造成托盘飞溅伤人，严禁损伤顶板网片。移架工在空巷区域移架时要及时带压移架，并及时打出护帮板护顶，防止空巷处顶板下沉。

5) 工作面空巷处冒顶、漏顶时，必须停止采煤，采煤机过空顶、漏顶区域前必须检查采煤机前方的支架顶部瓦斯浓度，浓度<1%时，方可回采作业。工作面切眼内及采空区空顶超过0.5 m3、瓦斯浓度达到0.8%时，必须停止作业，采取措施处理。

6) 过空巷期间密切关注上隅角及工作面瓦斯变化情况，由瓦斯员对后溜、架间、人行道、机道及空巷揭露处前后5组支架的瓦斯进行检测，任何一处瓦斯浓度超过0.8%时，必须停机处理。发现瓦斯涌出异常应及时向通风调度汇报，根据指示进行处理。

5 结 语

1) 本文以经坊矿3-802工作面的煤层地质条件，分析了工作面过空巷时顶板断裂位置对空巷围岩稳定的影响，通过FLAC3D数值模拟软件分析了工作面推进过程中空巷与工作面之间煤柱的应力分布及空巷围岩塑性区的分布变化。结果显示，工作面离空巷越近，煤柱的叠加应力越大，煤柱破坏失去承载力，导致空巷塑性破坏变形越严重。

2) 为了防止工作面靠近空巷时发生安全事故，给出了空巷进行临时支护的方案，并对过空巷期间顶板及瓦斯控制提出了安全措施，保证工作面过空巷期间的安全生产。