综采工作面临空巷道变形治理对策.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０２􀆽 １０ 作者简介李 腾１９９０ － ꎬ男ꎬ山西应县人ꎬ助理工程师ꎬ从事煤矿生产技术管理工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０５. ０１２ 综采工作面临空巷道变形治理对策 李 腾 大同煤矿集团 综采办公室ꎬ山西 大同 ０３７００３ 摘 要针对综采工作面临空巷道变形问题ꎬ基于发生机理提出了“科学设计、合理支卸、严管现场”治理理 念ꎬ实施后能够使巷道变形得到明显的控制ꎬ具有推广应用价值ꎮ 关键词临空巷道ꎻ变形ꎻ综采工作面 中图分类号ＴＤ３５３ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００５􀆽 ００２９􀆽 ０１ 综采工作面临空巷道变形一直是困扰煤炭行业 的世界性难题ꎬ为了有效解决该问题ꎬ本文以大同煤 矿集团所属煤矿为研究对象ꎬ选取了 ５０ 座煤矿的 ６８ 个综采工作面ꎬ进行了临空巷道变形情况统计分 析ꎬ这些煤矿地跨大同、朔州、忻州、临汾、运城ꎬ分别 属于大同煤田、宁武煤田、河东煤田ꎬ本文通过对这 些工作面存在问题原因分析和治理经验的总结ꎬ提 出了综合治理理念ꎮ １ 临空巷道变形现状及分析 依据本次统计结果ꎬ６８ 个工作面中共有 ２１ 个 工作面存在不同程度的临空巷道变形问题ꎬ这些工 作面既有布置在“两硬煤层”ꎬ又有布置在“三软煤 层”ꎬ工作面开采深度为１２５ ４０７ ｍ 之间ꎬ变形范围 为巷道设计断面的 ２０％ ６２％ꎮ 通过调查发现ꎬ这 ２１ 个综采工作面在治理巷道变形问题上多数采取 的措施比较单一ꎬ主要的手段是加强支护ꎬ如补打锚 索ꎬ增加单体支柱支护数量ꎬ搭设木垛和堆柱等ꎬ并 没有去积极采取一些卸压措施ꎬ最终导致现场治理 效果不理想ꎮ ２ 临空巷道变形的治理对策 针对临空巷道变形发生机理ꎬ本文提出了“科 学设计、合理支卸、严管现场”的治理理念[１ －２]ꎬ即从 三个方面入手ꎬ来有效解决临空巷道变形问题ꎮ ２. １ 科学设计 科学设计ꎬ即从设计上实现避压让压、从部署上 实现“跳采”、从工艺上实现“小无煤柱技术”ꎬ从 源头把控ꎬ规避采掘交锋、临空稳定期短以及邻近层 动压影响等问题ꎮ １ 设计上实现避让ꎬ远离应力集中区ꎮ 主要 是工作面巷道尽可能与最大主应力方向平行布置ꎻ 巷道布置要避开上覆煤柱应力集中区段ꎻ巷道布置 尽量避开大断层、陷落柱以及褶曲等地质构造带ꎮ ２ 科学进行跳采ꎬ增加临空稳定期ꎮ 主要 是根据矿井生产格局ꎬ例如储量、采区布置数量、单 双翼开采形式等情况选择不同的跳采方式ꎬ单翼布 置的采区实现采区内两端跳采ꎻ双翼布置的采区实 现两翼跳采或是两翼两端跳采ꎻ多采区的实现采区 间的跳采ꎮ 另外对于资源储量丰富的新开拓采区ꎬ 应在采区中部选择首采面ꎬ以首采面为基点两侧跳 采ꎬ避免出现孤岛工作面ꎮ ３ 采用小无煤柱工艺ꎬ将临空巷道布置在 采空应力影响降低区域ꎮ 实施过程中ꎬ在综合考虑 通风、防灭火、防治水等因素的基础上ꎬ确保煤柱尺 寸的合理性ꎮ 小煤柱工艺以塔山矿回采完的 ８２０４ －１ 综放工作面为例ꎬ该工作面有一侧的煤柱有一 个由大变小的过程ꎬ通过现场监测发现ꎬ煤柱宽度较 小时ꎬ巷道围岩较稳定ꎬ随着煤柱宽度的增大ꎬ超过 合理值时ꎬ应力会突然明显增大ꎬ现场实践表明对于 特厚煤层综放工作面ꎬ临空巷道留设６ ８ ｍ 小煤柱 可有效减少巷道变形ꎮ 无煤柱工艺以塔山矿回采 ８３０４ 和 ８３０５ 无煤柱综采工作面为例ꎬ采用了沿空 留巷技术ꎬ不仅少掘了一条巷道ꎬ而且所留巷道几乎 无变形现象ꎬ技术经济效果显著ꎬ现场实践表明对于 中厚煤层ꎬ在条件允许的情况下实施无煤柱工艺可 消除临空巷道变形问题ꎮ ２. ２ 合理支卸 合理支卸ꎬ即采取合理的强支措施的同时还要 辅助可行的卸压方案ꎮ １ 采取合理的强支措施加强支护巷道ꎮ 在 受动压影响的巷道ꎬ煤岩结构和支护被破坏的情况 下ꎬ存在发生局部冒顶以及巷道合口等重大隐患ꎮ 此种情况下必须按照下转第 ８７ 页 ９２ 实实用用技技术术 总第 ２４９ 期 风量不足现象ꎬ有利于治理工作面上隅角低氧问题ꎻ 根据煤层自燃倾向性、最短自然发火期等实际条件ꎬ 合理采用无煤柱开采工艺ꎬ优化工作面通风方式ꎬ消 除上隅角及后溜尾低氧现象ꎻ改变低氧区域流场压 力分布ꎬ布置有顶高抽巷的采煤工作面可以适当 增加抽放流量ꎬ达到削弱低氧现象的目的ꎻ施工探放 水钻孔前ꎬ要做好超前地质预测ꎬ探明可能存在的老 空区等气体异常区域ꎬ必须制定探通老空区或探孔 施工期间气体异常涌出的应急处置措施ꎬ加强现场 气体检查ꎬ对已出现气体异常或预计可能探通异常 区的作业ꎬ要安排救护队员现场盯班ꎬ做好应急准 备ꎻ在工作面停采支护完成后ꎬ必须提前在头、尾施 工端头封堵墙ꎬ降低两巷道风压差ꎬ防止回风流出现 因采空区漏风产生的低氧现象ꎮ ２. ５ 管防 通过管人、管现场环节ꎬ有效避免低氧问题的产 生ꎬ杜绝严重低氧作业ꎮ 严格区队、班组交接班管 理ꎬ交接班时区队干部必须向接班人员说明现场低 氧隐患区域及应采取的安全管控措施ꎬ做到有安排、 有落实ꎻ注氮防火要科学合理ꎬ优化工作面注氮参 数ꎬ在工作面不同时期、不同条件下ꎬ应区别采取针 对性的注氮工艺ꎬ防止因注入采空区的氮气过量而 涌入工作面产生低氧ꎻ严格按密闭启封及排放瓦斯 相关规定组织启封作业ꎬ坚决执行“提级管控”、“报 备管理”的要求ꎬ作业全过程必须由救护队负责实 施ꎬ且人员作业时必须严格执行救护规程ꎻ要按标准 构筑各类密闭ꎬ尤其是防火密闭的粉煤灰充填工作ꎬ 要有设计、有监管、有验收ꎬ对于质量不合格的密闭 一律推倒重建ꎬ另外还要加强密闭施工及巡检、维护 工作ꎬ定期组织密闭巡检和维护ꎬ发现墙体受损、围 岩漏风等问题时要及时处理ꎮ 本文通过介绍“五防”综合治理体系ꎬ从人防、 物防、机防、技防、管防五个方面采取预防措施ꎬ有效 治理长期困扰煤矿的低氧隐患ꎬ有力地保证煤矿的 安全生产ꎬ可为其他矿井的低氧治理提供借鉴ꎮ 参考文献 [１] 胡开通. 综放工作面低氧原因分析及防治新技术[Ｊ]. 同煤科技ꎬ２０１８２４４ －４６. [２] 鹿文勇ꎬ王 伟ꎬ陈 洋. 工作面低氧原因分析及防治 技术[Ｊ]. 煤矿安全ꎬ２０１８ꎬ４９１８９ －９２. [责任编辑路 方] 􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾􀤾 上接第 ２９ 页强支护理论来加强支护ꎮ “强支”一 般采取的是加密锚杆、锚索、单体支护以及增加堆 柱、木垛、Ｕ 型钢棚、超前液压支架等措施ꎮ 需要注 意的是木垛支护不能代替单体支护ꎬ仅能在部分区 域辅助单体支护ꎮ 一方面是因为木垛属被动等压的 支护ꎬ仅依靠木垛支护顶板基本处于无支护状态ꎬ极 易造成顶板下沉变形ꎻ另一方面是因为一般情况下 木垛支护间距在约 ２ ｍꎬ随着工作面推进ꎬ在超前范 围刚拆除木垛时ꎬ该区域会出现约 ３ ４ ｍ 的空顶区 域ꎬ在超前支承压力影响下ꎬ不利于巷道的顶板管 理ꎮ 因此综采面临空巷道超前区域补强支护不能仅 仅依靠木垛支护ꎬ还要采用加密单体支护一梁四 柱的形式ꎬ通过单体柱的主动支护ꎬ切实达到维护 顶板的效果ꎮ ２ 采取可行的卸压方案ꎬ就是指选择切实可 行的卸压手段ꎬ有效缓解临空侧向悬板支承压力、底 鼓及超前应力集中等强矿压显现影响ꎮ 一般情况 下ꎬ主要从三个方面实施卸压措施一是针对超前底 鼓问题ꎬ应采取钻孔卸压、爆破卸压、开掘卸压槽等 解危措施ꎬ降低应力集中ꎻ二是要在本工作面巷道通 过深孔预裂爆破、水压致裂以及比较先进的二氧化 碳预裂爆破等手段提前进行断顶卸压ꎬ以缓解临空 残余边缘支承压力对巷道的影响ꎬ确保下一个相邻 工作面临空巷道围岩的整体稳定性ꎻ三是加强端头 退锚工作ꎬ人工减小并控制工作面两端头悬板面积ꎬ 一定程度上减弱巷道超前压力显现ꎮ 需要注意的是 工作面出现顶板超前煤壁断裂造成围岩破碎严重与 支架距煤帮距离较小影响正常通风等问题时ꎬ要注 意割煤工艺工序的管理ꎬ同时要停止对该区域的卸 压措施ꎬ必要时还要加强支护ꎬ确保周期来压滞后工 作面发生ꎬ顶板在采空区范围断裂ꎬ为工作面安全生 产提供保障ꎮ ２. ３ 严管现场 加强现场管理ꎬ主要是指在抓好日常工程质量 的基础上ꎬ对部分细节点要注意强化管理ꎮ 加强支 护质量管理ꎬ确保支架接顶严密、初撑力合格ꎬ尤其 是工作面头尾 ２０ 架支架必须要保证升紧、升牢ꎬ同 时要保证端头支护、关门柱以及超前支护等规范有 效ꎮ 实施补强支护、水压致裂、卸压孔、卸压槽、二氧 化碳预裂以及地面压裂等支卸措施时ꎬ必须要严格 按照方案设计要求的参数施工ꎬ确保真正起到卸压 效果ꎮ 在巷道修复时ꎬ要保证按措施施工ꎬ既要保证 作业安全ꎬ又要保证巷道高度ꎬ以符合行人、运输、通 风及端头支架正常前移的要求ꎮ 本文提出的“科学设计、合理支卸、严管现场” 的临空巷道变形治理理念ꎬ下转第 ９０ 页 ７８ ２０２０ 年 ５ 月 韩靖华煤矿低氧隐患综合防范治理体系 第 ２９ 卷第 ５ 期 图 ４ 围岩剪切应力云 ３. ２ 锚索受力分析 巷道开挖后ꎬ顶板锚索受力监测变化曲线ꎬ见图 ５ꎮ 在初始阶段ꎬ围岩变形能释放ꎬ变形增长较快ꎬ锚 索受力曲线呈现快速增长ꎬ达到 ２３４ ｋＮꎻ当围岩变 形趋于稳定时ꎬ锚索受力增速放缓ꎬ最终趋于稳定ꎬ 掘巷稳定后ꎬ在 ３ －２ －３ 锚索布置中ꎬ锚索受力由大 到小依次是三根锚索中里侧锚索、两根布置锚索、三 根锚索外侧两根锚索ꎮ 锚索最大受力值分别为 ２４２ ｋＮ、２４１. ２ ｋＮ、２３９. ２ ｋＮꎬ这是由于在掘巷阶段ꎬ 顶板下沉一般呈现出巷道中部较大而两侧较小的弧 形分布ꎮ 在掘巷期间ꎬ锚索受力最大值都未达到其 屈服极限及破断载荷ꎬ说明原有支护基本可以满足 巷道掘巷期间的支护要求ꎮ 随着工作面的回采ꎬ巷道围岩受到较大的回采 动压影响ꎬ支护体受力随着围岩离层变形的增大出 现快速增长ꎬ并相继达到锚索破断载荷ꎬ同时杆体伸 长量超过其最大延伸率ꎬ支护体出现破断并且受力 降为零ꎬ见图 ６ꎮ 回采期间巷道顶板非采动侧最外 侧锚索最先出现破断ꎬ之后中部锚索出现破断ꎬ顶板 采动侧锚索最后出现破断ꎮ 可以看出ꎬ在工作面动 压影响下ꎬ虽然巷道顶板采动侧围岩下沉量大于非 采动侧ꎬ但是其主要变形来自岩层的整体下沉ꎬ锚索 支护范围岩层的离层值由巷道浅部围岩及其深部围 岩位移差所决定ꎮ 图 ５ 掘巷期间锚索受力 图 ６ 锚索全过程受力曲线 ４ 结 语 １ 锚索破断前巷道围岩的应力降低区主要集 中分布在顶底板以及巷道两帮处ꎬ与掘巷期间相比ꎬ采 动影响后围岩水平和垂直应力增加明显ꎬ同时水平应 力降低区出现向巷道围岩深部扩展贯通的现象ꎬ而垂 直应力更为集中ꎬ并且向巷道围岩浅部转移ꎬ破坏更剧 烈ꎬ高应力状态给围岩稳定性控制带来一定难度ꎮ ２ 在巷道支护实践中ꎬ应当注重并及时监测 顶板离层量的变化ꎮ 而原有巷道支护方案仅能满足 巷道掘进过程中的支护需要ꎬ在工作面采动后ꎬ支护 体可能因为较低的延伸率而破断失效ꎬ因此提高原支 护方案中锚索延伸率成为控制围岩稳定性的关键ꎮ [责任编辑路 方] 􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠 上接第 ８７ 页能够使工作面临空巷道变形问题在 不同程度上得到治理和缓解ꎬ尤其对新设计和投产 的综采工作面更要从源头上抓起以消除该问题ꎮ 对 同类型矿井的工作面有借鉴意义ꎮ 参考文献 [１] 白雁斌. 大同矿区 ６ ９ ｍ 厚煤层综放回采巷道临空动 压变形与控制技术[Ｊ]. 煤ꎬ２０１９ꎬ２８３３３ －３５. [２] 张文阳. 临空巷道围岩变形机理及控制技术研究[Ｊ]. 同煤科技ꎬ２０１８４３４ －３６. [责任编辑路 方] ０９ ２０２０ 年 ５ 月 李 涛巷道顶板锚索破断机理模拟分析 第 ２９ 卷第 ５ 期