利用開(kāi)采解放層治理強(qiáng)礦壓

呂梁杰，秦飛龍

(大同煤礦集團(tuán) 馬脊梁礦，山西 大同 037003)

隨著大同煤礦集團(tuán)上層侏羅系資源的枯竭，開(kāi)始開(kāi)發(fā)下層石炭二疊系煤層。與侏羅系煤層相比，石炭二疊系煤層厚度大，為14～20 m，具備建設(shè)千萬(wàn)噸礦井的條件，自2003年以來(lái)，大同煤礦集團(tuán)先后建成了塔山、同忻、馬道頭、同發(fā)東周窯、馬脊梁等多座千萬(wàn)噸礦井，現(xiàn)代化綜采裝備的深度應(yīng)用，使得大同煤礦集團(tuán)產(chǎn)能得到進(jìn)一步的攀升。從總量上看，千萬(wàn)噸礦井的產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到集團(tuán)總產(chǎn)能的60%以上，占有舉足輕重的地位。但由于千萬(wàn)噸礦井在開(kāi)發(fā)石炭二疊系煤層的過(guò)程中，為快速收回投資，開(kāi)采的部署格局通常為前進(jìn)式順序開(kāi)采，生產(chǎn)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)強(qiáng)度大、開(kāi)采速度快、接替緊張，導(dǎo)致采掘過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，甚至發(fā)生強(qiáng)礦壓現(xiàn)象，一度成為礦井安全生產(chǎn)的瓶頸[1-3]。

1 強(qiáng)礦壓危害及對(duì)策

強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1) 臨空巷道難以維護(hù)。綜放工作面在推進(jìn)過(guò)程中，由于上一個(gè)工作面剛剛回采結(jié)束，其頂板仍然處在活動(dòng)期，加之本工作面的超前影響，兩項(xiàng)疊加，導(dǎo)致臨空巷道超前壓力加大，嚴(yán)重時(shí)，頂?shù)装逡平?、兩幫移近幾乎閉合，其影響范圍最大達(dá)到超前支護(hù)200 m，見(jiàn)圖1。

2) 相鄰掘進(jìn)巷道難以維護(hù)。與上述分析礦壓作用原因一樣，掘進(jìn)巷道受相鄰綜放工作面采動(dòng)影響，壓力增加，經(jīng)常出現(xiàn)底鼓、炸幫等現(xiàn)象，特別是在采掘工作面交鋒時(shí)200 m范圍內(nèi)更為明顯，嚴(yán)重時(shí)巷道出現(xiàn)壓垮現(xiàn)象。

3) 受綜放工作面采動(dòng)的超前應(yīng)力影響，膠帶巷(非臨空)超前支護(hù)范圍易出現(xiàn)頂板下沉，導(dǎo)致巷道高度降低，頭部設(shè)備前移困難，需起底擴(kuò)幫。

圖1 臨空巷道變形區(qū)域

鑒于上述原因，在逐步摸索認(rèn)知的過(guò)程中，從瓶頸入手，以治理強(qiáng)礦壓為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合地質(zhì)條件，借鑒治理沖擊地壓常采用的“開(kāi)采解放層”的方法，提出了用開(kāi)采解放層卸壓的方法治理強(qiáng)礦壓。解放層開(kāi)采后，采空區(qū)下方煤巖體應(yīng)力、位移、積聚能量發(fā)生變化，具體為：開(kāi)采解放層—底板巖層移動(dòng)—膨脹裂隙發(fā)育—被保護(hù)層應(yīng)力降低—積聚彈性能降低—強(qiáng)礦壓發(fā)生幾率降低。

2 開(kāi)采解放層方案

方案實(shí)施地點(diǎn)選在大同煤礦集團(tuán)塔山礦一盤(pán)區(qū)，主采煤層為石炭系C3-5號(hào)層，煤層平均厚度21.6 m，平均傾角3°，采煤方法為綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤法。方案將C3-5號(hào)層上覆山4號(hào)層設(shè)為保護(hù)層，平均層間距21.7 m。山4號(hào)層屬不穩(wěn)定煤層，平均煤厚2.8 m，煤質(zhì)較差，在一盤(pán)區(qū)僅局部可采，開(kāi)采經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低，因此在礦井開(kāi)采前期將一盤(pán)區(qū)山4號(hào)層列入棄采煤層。本次選擇在C3-5號(hào)層8108工作面上覆山4號(hào)層對(duì)應(yīng)布置8101工作面，實(shí)現(xiàn)保護(hù)層的開(kāi)采，方案設(shè)計(jì)時(shí)，塔山礦一盤(pán)區(qū)正在回采C3-5號(hào)層8107工作面。

C3-5號(hào)層8108工作面位于塔山一盤(pán)區(qū)的中部，傾向長(zhǎng)度207 m，走向長(zhǎng)度2 000 m，煤厚17～22 m，平均埋深402 m。工作面采用三巷布置方式：2108巷為膠帶巷，兼做進(jìn)風(fēng)；5108巷為輔運(yùn)巷，兼做回風(fēng)；8108頂板高抽巷。

山4號(hào)層8101工作面位于C3-5號(hào)層8108工作面正上方約20 m處，傾向長(zhǎng)度227 m，走向長(zhǎng)度1 800 m，煤厚2.2～3.3 m。工作面采用兩巷布置，2101巷為膠帶巷，兼做進(jìn)風(fēng)；5101巷為輔運(yùn)巷，兼做回風(fēng)。8101工作面水平方向外錯(cuò)C3-5號(hào)層8108工作面10 m，見(jiàn)圖2。

圖2 8101工作面與8108工作面平面布置

3 實(shí)施效果

3.1 回采期間礦壓顯現(xiàn)

8107工作面回采期間工作面周期來(lái)壓步距為18～21 m，來(lái)壓時(shí)在線(xiàn)監(jiān)控顯示支架最大工作阻力基本能達(dá)到40 MPa，8108工作面初采階段由于來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)度小，來(lái)壓步距不規(guī)律，為19～38 m，在進(jìn)入周期來(lái)壓階段時(shí)，周期來(lái)壓步距為25～29 m，支架工作阻力一般為30 MPa，來(lái)壓不明顯。臨空巷道未發(fā)生明顯超前支護(hù)應(yīng)力集中顯現(xiàn)事件，膠帶巷超前支護(hù)范圍也未出現(xiàn)頂板下沉。由此可知開(kāi)采解放層對(duì)C3-5號(hào)層綜放8108工作面開(kāi)采起到卸壓作用。

3.2 掘進(jìn)期間礦壓顯現(xiàn)

8107工作面與5108巷掘進(jìn)交鋒在巷道里程1 400 m處，5108巷在交鋒前50 m出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，路面出現(xiàn)裂縫、破損，后期對(duì)底鼓區(qū)域起底，重新鋪底；部分位置有錨桿失效，現(xiàn)場(chǎng)采用組合錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，共計(jì)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)范圍為100 m。保護(hù)層開(kāi)采后，8108工作面與5109巷交鋒在1 800 m處，5109巷內(nèi)出現(xiàn)輕微底鼓，巷道變形較小，巷道支護(hù)完好。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 針對(duì)特厚煤層綜放工作面回采過(guò)程中的強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴}，本文提出了通過(guò)開(kāi)采解放層來(lái)治理強(qiáng)礦壓的方法，為大同礦區(qū)同條件礦井提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

2) 開(kāi)采解放層有效緩解了特厚煤層綜放工作面回采期的礦壓顯現(xiàn)，保障了特厚煤層綜放工作面的安全。

3) 開(kāi)采解放層提高了礦井資源回收率，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限。塔山礦山4號(hào)煤層一盤(pán)區(qū)設(shè)計(jì)布置5個(gè)工作面，三盤(pán)區(qū)設(shè)計(jì)布置9個(gè)工作面，共14個(gè)工作面，預(yù)計(jì)可采出煤炭近2 000萬(wàn)t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。