大采高工作面跨下部巷道开采及支护技术研究_孟敏(1).pdf

大采高工作面跨下部巷道开采及支护技术研究 孟敏 （霍州煤电集团晋北煤业有限公司 ， 山西 静乐 035100 ） 摘要 在矿井生产设计中不可避免的将部分巷道布置于回采工作面的下方，工作面回采产生的动 压等会影响下部巷道稳定性，因此对于此类大采高工作面跨下部巷道开采及相关巷道的支护研究尤 为重要。本文以晋北煤业 5-103 生产工作面跨下部轨道、 皮带大巷为研究背景， 提出了通过控制上层 工作面回采工艺和下部巷道临时支护方式两个途径来保证工作面推进时所产生的动压对下部巷道影 响最小。下部巷道在距离上部所采煤层较近时采用临时充填的方法， 距离较远时采用木剁三花布置， 回采工作面适当降低采高、 调斜工作面、 提高初撑力等控制回采安全。 关键词 大采高工作面； 跨采巷道； 临时支护； 开采工艺优化 中图分类号 TD353文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0040-04 Research on Mining and Supporting Technology of Cross-bottom Roadway of Large Mining Height Working Face MENG Min （Huozhou Coal and Electricity Group Jinbei Coal Industry Co., Ltd. , Jingle 035100 ， China ） Abstract In the mine production design, it is inevitable to arrange part of the roadway under the stoping working face. The dynamic pres- sure generated by stoping on the working face will affect the stability of the lower roadway. Therefore, it is particularly important to study the mining across the lower roadway of such a large mining height working face and the supporting of the relevant roadway. Based on the research background of cross-lower track and belt roadway of 5-103 production working face in jinbei coal industry, this paper puts for- ward two ways to ensure the minimum impact of dynamic pressure generated by advancing working face on the lower working face by controlling the mining technology of upper working face and the temporary supporting of lower working face. When the lower roadway is close to the upper coal seam, the full filling is adopted; when the distance is far, the wood cutting and three-flower ar- rangement is adopted. The stoping face can appropriately reduce the mining height, adjust the working face and improve the initial support force to control the safety of stoping. Keywords large mining height working face ; Cross roadway ; Temporary support ; Mining process optimization 0引言 煤炭资源在漫长地质变化进程中形成各种复 杂的赋存状态， 在矿井开采工作时根据煤层特殊的 赋存条件设计安全有效的回采方案， 尽管如此煤层 开采时还会遇到各种各样的问题。例如 矿井设计 巷道布置于所需开采煤层下部时， 煤层的开采对于 下部巷道的稳定性有一定的影响。由于工作面生产 机械扰动及顶板断裂矿压显现等综合因素的影响， 此类工作面的开采方案和相关巷道的支护都成为 行业工作者所研究的重点课题。煤矿生产工作面矿 压显现随着顶板构成岩性的特征和工作面生产工 艺的不同会发生一定的改变， 对于大采高工作面矿 压规律的研究可知随着工作面开采高度的增加顶 板周期来压急剧增大， 通过提高回采速度将基本顶 关键层的断裂垮落带滞留在后方采空区可有效缓 解工作面受开采动压的影响。矿井生产系统中所开 拓的各种运输通风巷道在生产工作时需要根据生 产情况做临时支护， 当工作面开采产生的动压会影 响整个采场中已有的巷道、 保护煤柱、 服务硐室等 特殊区域时， 围岩应力状态会发生不规则变化， 通常 需要加强临时支护保证其稳定性， 确保生产安全。 本文根据晋北煤业公司 5- 103 回采工作面跨 采下部集中轨道、 皮带巷道为研究背景， 提出通过 调整回采工艺及提高下部巷道临时支护强度两个 方面来控制工作面开采对周围巷道稳定性的影响。 1工程概况 晋北煤业公司 5- 103 工作面， 为该矿井一采区 第三个回采工作面，该工作面倾向长度 622m 走向 长度 180m， 煤层赋存平均厚度 5.1m 属于中厚煤层， 煤层整体倾角 5～17倾角较小， 整个工作面可采 5 煤储量 78 万 t， 回采率 93。5- 103 工作面东北 方为一采区回风、 皮带、 轨道大巷， 西北方为该采区 边界， 东南方为井田边界， 西南方与牛泥煤矿采空 区相邻。工作面上方盖山厚度约为 80～150m，其中 岩层厚度约为 23～53m， 黄土层厚度约为 67～76m， 工 作面埋深较浅，顶板受风化及水侵蚀破碎较为严 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 40 ChaoXing 重。煤层上方直接顶为裂隙较为发育的灰黑色灰 岩， 岩层中含有植物化石， 平均厚度 1.6m， 老顶为 6m 厚的灰质泥岩同样裂隙较为发育，煤层下方直 接底为 5m 左右厚的泥岩。在 5- 103 工作面回采过 程中会经过整个一采区服务的轨道大巷和皮带大 巷， 巷道位于开采工作面下方， 距离较近在回采经 过时对其稳定性有严重影响。 2工作面开采跨巷道支护破坏机理 2.1工作面开采跨巷道位置研究 将 5- 103 工作面两条工作面巷道分别命名为 5- 1031 和 5- 1032 巷道， 5- 103 工作面回采经过下 部轨道大巷和皮带大巷。 5- 1031 巷道与下部轨道巷 层间距为 13m，包括 10.9m 的泥岩和 2.1m 的煤层； 5- 1032 巷道与下部轨道巷层之间相隔 4m 厚的 5 煤层。 5- 1031 巷道与下部皮带巷层间距为 12.7m， 包括 10.7m 泥岩和 2m 的煤层； 5- 1032 巷道与下部 皮带巷层间距为 9.8m，包括 7.9m 泥岩和 1.9m 煤 层。巷道位置如图 1 所示。 图 1开采工作面与所跨巷道位置关系 2.2工作面开采跨巷道破坏因素分析 根据对同采区工作面开采过程中巷道变形特 征及围岩地质资料研究可知，该采区煤层埋深较 浅， 在上部地表降水、 日晒风化及整个采场作业产 生的动压等共同作用下， 工作面服务巷道和采区服 务巷道的顶板与两帮的稳定性控制都是该矿井安 全生产的主要威胁， 概括分析工作面及采区大巷破 坏的因素主要有以下几个方面 1） 煤层埋深仅为 100m 左右， 上层岩体受风化 及地表降水侵蚀较为严重， 顶板岩层在长期的风氧 化作用下内部产生许多贯通且较大的裂隙带， 结构 裂隙较为发育， 同时地表降水通过裂隙带渗入侵蚀 岩体使得岩体结构稳定性降低。 2） 工作面顶板岩体破碎， 顶板关键层破坏频繁 矿压显现剧烈， 统计采区内其他工作面顶板来压特 性可知， 工作面老顶来压步距为 10m 左右， 老顶来 压时工作面支架工作阻力平均上升为 30MPa， 最大 可达 35MPa。 3） 工作面选用 ZY11000/24.5/50 型两柱支撑掩 护式液压支架，大采高工作面液压支架支护强度较 高， 工作面支架初撑力较小时， 顶板岩层充分变形， 当顶板的断裂出现在支架前部时， 顶板的冲击动压 通过支架传递至下部巷道顶板时可直接下部导致 巷道的破坏， 因此在工作面推进跨下部巷道时需要 通过优化开采工艺确保下部巷道稳定。 3工作面开采跨巷道工艺优化 3.1上部工作面开采工艺优化 1） 跨巷道前调整工作面来压步距， 在工作面即 将到达下部巷道时， 通过提前停采切顶改变工作面 顶板垮落步距， 使得工作面推进至空巷上方时不会 产生顶板周期垮落， 保证工作面及下部巷道受动压 影响最小。 2） 连续开采， 5- 103 工作面在跨下部巷道开采 期间， 工作面不安排停机检修， 在跨采之前安排检 查工作面所有设备运行状况， 确保机械设备处于良 好的工作状态。快速推进工作面使得顶板关键层破 坏出现在后部采空区， 保证工作面下部巷道不会同 时受采动和矿压冲击共同作用。 3） 适当提高支架初撑力， 在工作面跨下部巷道 时， 整体提高液压支架初撑力， 支架初撑力不得低 于 28MPa， 较高的初撑力可控制顶板在煤层开采过 后裂隙的二次发育， 顶板变形速度的降低也是控制 周期来压的有效途径。 4） 适当降低回采高度， 工作面开采高度越大， 上方顶板垮落充填采空区的高度就越大， 当工作面 前推后顶板垮落产生的冲击对下部巷道影响严重， 降低采高可有效减小巷道受冲击破坏。 5） 调斜开采， 为了避免工作面液压支架全部出 现在下部巷道上方， 对下部巷道产生较为集中的载 荷，在工作面距离跨巷 30m 时调斜工作面布置， 使 得工作面在回风巷道端超前运输巷道 15m， 调斜角 度 5左右， 工作面布置如图 2 所示。 3.2下部所跨巷道临时支护工艺优化 在回采过程中所需要跨过两条采区巷道的长 度均为 180m， 其中轨道巷距离上部煤层较大区域采 用锚杆锚索支护， 巷道长 100m， 巷道倾斜段距离上 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 41 ChaoXing 部煤层较大区域采用架棚支护， 巷道长 80m， 皮带巷 道 156m 的长度支护方式为锚杆锚索支护， 24m 的长 度为架棚支护。锚杆锚索支护巷道宽 4500mm， 高 2600mm， 两帮锚杆间排距 7001000mm， 顶板锚杆 间排距 8401000mm， 锚杆长度 1.5m， 顶板每排布置 两根锚索间排距 16003000mm， 锚索长度 7.3m。架 棚支护段巷道上宽 3.2m， 下宽 4.6m， 高 3.0m， 巷道采 用 11 矿用矿用梯形工字钢进行支护， 棚距间隔 1m。 整个巷道顶板及两帮铺设 16 菱形金属网。 图 25- 103 工作面调斜开采布置图 工作面推进至下部巷道上方时对巷道进行临 时支护，在采区轨道巷靠近上方 5- 1032 巷道部分 60m 的范围内采用袋装矸石配合高水材料进行充 填，施工方案如图 3 所示，其它段巷道采用格为 2002001200mm 和 2002002400mm 两种道 木支设木垛， 木垛排距为 1500m， 采用插花布置， 锚 杆锚索段巷道临时支护如图 4 所示， 架棚段巷道临 时支护如图 5 所示。 图 3矸石加高水材料充填 图 4锚杆锚索段巷道临时支护方式 4现场监测 图 5架棚段巷道临时支护方式 通过实施上述开采和支护方案， 严格控制工作 面开采动压保证下部所跨采巷道处于稳定状态， 对 工作面矿压及巷道变形监测， 得到结果如下 1） 工作面推进至下部巷道上方前通过调整来压 步距，距离开采巷道上部煤层 3m 时产生最后一次 关键层断裂， 工作面快速推进， 在跨过巷道 3m 后再 一次周期来压， 此次周期来压步距 10m。 2） 提高工作面液压支架初撑力至 28MPa， 在工 作面跨采巷道时液压支架整体工作阻力提 高 5MPa， 工作面运输和回风巷道超前支撑单体立柱工 作阻力增大到 20MPa， 对于支护后的巷道顶底板满 足该条件下比压。 3） 监测回采期间下部轨道与皮带大巷顶板位移 情况，在 5- 1031 巷道下部轨道巷顶板下沉 7.6mm， 皮带巷顶板下沉 5.4mm， 5- 1032 巷道下部轨道巷顶 板下沉 12.5mm， 皮带巷顶板下沉 8.2mm， 整体巷道 稳定性良好 5结论 1） 回采工作面经过下部巷道时， 当工作面距离 巷道较近时回采扰动对巷道稳定性影响较大， 顶板 构成岩性、 顶板周期来压、 液压支架初撑力、 回采工 艺等都是影响巷道稳定性的重要因素。 2） 在工作面推进经过下部巷道时， 可以通过适 当降低回踩高度、 调斜工作面、 连续开采、 提高初撑 力、 调节顶板周期来压等优化工作面回采工艺的方 式， 减小工作面回采对下部巷道的扰动。 3） 当上部工作面回采经过下部巷道时需要对巷 道进行临时支护， 巷道与煤层垂直距离小于 10m 时 应采用全部充填的方法保证巷道稳定性。 参考文献 [1] 谢文兵,史振凡,殷少举.近距离跨采对巷道围岩稳定性影 响分析[J].岩石力学与工程学报,2004 （12） 1986- 1991. （下转第 45 页） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 42 ChaoXing （上接第 42 页） [2] 张学臣,李大勇,陈士海,李德胜,范德伟.跨采巷道的围岩 稳定性预测与控制 [J]. 采矿与安全工程学报,2008 （03） 361- 365. 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[4] 李雪佳. 大断面回采巷道矿压显现规律数值模拟及支护 技术[J].煤炭科学技术,2017,45 （S1） 51- 54. 作者简介 赵云 （1983-） ， 男， 汉， 山西高平人， 本科， 助理工程师， 研 究方向 采矿专业和安全管理。 （收稿日期 2018- 11- 24） 45 ChaoXing