王 強(qiáng)，余 巖

(1.皖北煤電集團(tuán)山西嵐縣昌恒煤焦有限公司，山西 呂梁 033500；2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232000；3.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232000)

0 引言

隨著淺部煤炭資源開采強(qiáng)度的增加與煤炭高效開采技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)煤炭資源的開采逐步向深部轉(zhuǎn)移，綜采工作面的空間尺度(工作面長(zhǎng)度、推進(jìn)長(zhǎng)度、采高)也不斷增加[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤炭資源的采深以每年10～25 m的速度增加；工作面長(zhǎng)度由100～200 m逐步提升至300～350 m，部分工作面長(zhǎng)度甚至超過400 m；工作面推進(jìn)長(zhǎng)度也大幅增加，如今很多推進(jìn)長(zhǎng)度超過4 000 m的超長(zhǎng)工作面已經(jīng)投入生產(chǎn)[2-5]。工作面推進(jìn)長(zhǎng)度的增加一方面可以使煤炭資源得到合理的開發(fā)，既提升了煤炭產(chǎn)出率，又延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限；同時(shí)還可使緊張的采掘接替得到緩解，有效提升礦井安全生產(chǎn)水平和礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。但另一方面，埋深與工作面推進(jìn)長(zhǎng)度的增大使得礦壓顯現(xiàn)出現(xiàn)顯著變化[6-7]。進(jìn)入深部開采后，地應(yīng)力顯著增高、采動(dòng)影響更加強(qiáng)烈、圍巖破壞范圍與變形程度更大，受此影響，巷道底鼓、巷幫內(nèi)移、錨桿支護(hù)失效、支護(hù)體變形失穩(wěn)等現(xiàn)象普遍發(fā)生；工作面長(zhǎng)度的增加也導(dǎo)致工作面圍巖和液壓支架的控制難度加大，相對(duì)于普通工作面，超長(zhǎng)工作面回采周期長(zhǎng)，兩巷及上覆巖層長(zhǎng)期受到掘進(jìn)及采動(dòng)影響，在礦壓方面的顯現(xiàn)異常劇烈，圍巖變形量大，故超長(zhǎng)工作面常常呈現(xiàn)來壓頻率增高、來壓步距縮減且呈現(xiàn)工作面分區(qū)域來壓的特點(diǎn)[8-11]。

近年來，隨著煤炭需求的日益增長(zhǎng)與裝備技術(shù)水平的不斷提高，加長(zhǎng)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度成為智能高效長(zhǎng)壁綜采的發(fā)展趨勢(shì)。兩淮礦區(qū)作為國(guó)家大型優(yōu)質(zhì)煤炭生產(chǎn)基地之一，礦區(qū)內(nèi)生產(chǎn)礦井開采正逐步向深部轉(zhuǎn)移，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度也逐漸增加[12]。但礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、深部巖層裂隙發(fā)育、水平地應(yīng)力大，復(fù)雜的地質(zhì)條件給深井超長(zhǎng)工作面的安全高效生產(chǎn)帶來一系列技術(shù)難題[13-15]。

為有效解決超長(zhǎng)工作面巷道壓力治理難題，實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)，對(duì)兩淮礦區(qū)深井超長(zhǎng)工作面巷壓治理過程中存在的突出問題進(jìn)行分析研究，并以礦區(qū)內(nèi)某典型深井超長(zhǎng)工作面為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析開采過程中上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其對(duì)巷壓變化的影響，以期保障深井超長(zhǎng)工作面的正常生產(chǎn)。

1 研究背景

1.1 兩淮礦區(qū)深井超長(zhǎng)工作面礦壓治理中的突出問題

1.1.1 工作面礦壓理論研究問題

走向長(zhǎng)距離工作面與一般工作面相比，其生產(chǎn)周期長(zhǎng)，兩巷及上覆巖層長(zhǎng)期受到掘進(jìn)及采動(dòng)影響，礦壓顯現(xiàn)異常劇烈。但到目前為止，對(duì)兩淮礦區(qū)“三高”“三軟”長(zhǎng)距離工作面圍巖控制機(jī)理研究不夠深入，尚不能完全了解工作面的應(yīng)力狀態(tài)和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，實(shí)際施工過程中常常出現(xiàn)支護(hù)范圍不合理、支護(hù)強(qiáng)度與支護(hù)方式不匹配的問題，這無疑誘發(fā)了嚴(yán)重的安全隱患。

1.1.2 超前影響范圍問題

相關(guān)理論及大量實(shí)踐均表明，隨著工作面回采周期的延長(zhǎng)，上覆巖層活動(dòng)程度更加強(qiáng)烈、波動(dòng)范圍更廣、回采巷道壓力更高。掘進(jìn)和工作面采動(dòng)會(huì)引起的支承壓力，在煤、巷幫的雙重影響下，圍巖應(yīng)力增加，超前支承壓力波動(dòng)范圍更廣，造成強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)，不僅會(huì)加大頂?shù)装遄冃?，還會(huì)引起兩幫變形，若不合理確定采動(dòng)的影響范圍，并及時(shí)超前支護(hù)，將深井圍巖變形控制在一定范圍內(nèi)，將很難保證正常生產(chǎn)。

1.1.3 支護(hù)思路問題

以往回采工作面，從初采到收作其支護(hù)參數(shù)保持不變，未做到全盤兼顧，忽視了深井長(zhǎng)距離開采是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。對(duì)于回采中期、后期的支護(hù)強(qiáng)度未做到提前規(guī)劃，采動(dòng)影響所需的中、后期支護(hù)強(qiáng)度不夠，從而導(dǎo)致礦壓治理不能滿足預(yù)期目標(biāo)，甚至出現(xiàn)支護(hù)失效的情況。

1.2 典型超長(zhǎng)工作面工程地質(zhì)概況及覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

1.2.1 超長(zhǎng)工作面基本概況

本次研究的回采工作面是該礦井首個(gè)超長(zhǎng)工作面，為兩淮礦區(qū)典型的高瓦斯、高地壓、高地溫“三高”回采工作面。該工作面生產(chǎn)標(biāo)高-799.6～-915.6 m(地面+22.4～+24.8 m)，平均煤厚3.1 m，煤層傾角1°～16°，走向長(zhǎng)度2 708.3 m，屬于典型的“三軟”煤層(硬度系數(shù)小于0.8)，裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性差，受斷層影響后構(gòu)造極為復(fù)雜。該超長(zhǎng)工作面受采動(dòng)影響的時(shí)間較常規(guī)工作面長(zhǎng)一年以上，由于長(zhǎng)期受到風(fēng)化、水、溫度的劣化作用，圍巖強(qiáng)度明顯降低，圍巖的破斷逐漸向深部發(fā)展。受此影響，該超長(zhǎng)工作面在回采中、后期礦壓顯現(xiàn)明顯，特別是回采后期，兩巷頂?shù)装寮皫筒孔冃蝿×遥l(fā)上下出口安全斷面極難維護(hù)、轉(zhuǎn)載機(jī)無法正常拉移等一系列問題，給安全回采帶來了極大的難題和考驗(yàn)。

1.2.2 頂板初次來壓上覆巖層運(yùn)動(dòng)理論分析

工作面兩巷為實(shí)體煤，初采時(shí)，在切眼下部21#架附件揭露F1222(1)-29：∠72°H=3.0 m大斷層，回采初期可將上覆巖層視為三邊由煤體固支、另一邊由斷層簡(jiǎn)支的“梁”。老頂懸露部分的重量通過“梁”傳遞至四周煤體上。老頂?shù)膽衣睹娣e和在煤體周圍形成的彎矩會(huì)隨著工作面的推進(jìn)而不斷加大，一旦超過極限跨距，老頂就會(huì)在四周煤壁處發(fā)生破斷，如圖1所示。三鉸拱式平衡往往在老頂發(fā)生初次破斷時(shí)形成，同時(shí)已破斷巖塊會(huì)出現(xiàn)回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的現(xiàn)象，若破斷的巖塊產(chǎn)生的荷載大于支架的支撐力就會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)，頂板下沉，將會(huì)存在著極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 工作面頂板初次破斷剖面Fig.1 Initial fracture of roof in working face

1.2.3 工作面上覆巖層周期破斷及礦壓顯現(xiàn)分析

老頂初次來壓以后，回采面上覆巖層力學(xué)模型由兩端固支的梁變?yōu)橐欢擞晒ぷ髅媲胺矫后w固支，另一端由采空區(qū)冒落矸石支承的簡(jiǎn)支梁。老頂初次破斷后，上覆巖層邊界條件變差，上覆裂隙體梁所形成的結(jié)構(gòu)將會(huì)隨著回采工作面的推進(jìn)而不斷變化。在基本頂自身巖層及支護(hù)體的雙重作用下，周期斷裂會(huì)在走向方向上產(chǎn)生，基本頂沿走向發(fā)生周期破斷，在破斷過程中，是工作面煤壁及兩巷圍巖變形最劇烈時(shí)期，也是工作面回采最困難階段，如圖2所示。工作面可采走向長(zhǎng)2 708.3 m，回采時(shí)間跨度大，圍巖長(zhǎng)期受井下風(fēng)化、水、溫度的作用，且在巖體的流變影響下，加速了上覆巖層的運(yùn)動(dòng)及破斷過程，所以越是在回采后期，上覆巖層從穩(wěn)定狀態(tài)到失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)間間隔越短，老頂破斷后上覆巖層失去穩(wěn)定影響時(shí)間越長(zhǎng)，失穩(wěn)時(shí)兩巷及工作面頂板壓力越劇烈，圍巖變形越嚴(yán)重，若不采取合理的支護(hù)手段將很難保證回采工作面安全高效回采。

圖2 工作面老頂周期破斷力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of periodic breaking of main roof in working face

2 超長(zhǎng)工作面礦壓治理關(guān)鍵技術(shù)及效益

2.1 兩巷超前支護(hù)范圍的合理確定

圍巖的原始應(yīng)力在采掘活動(dòng)影響下重新分布，其采動(dòng)影響范圍包含彈性增高區(qū)和極限平衡區(qū)。若想有效控制礦山壓力，就必須在圍巖進(jìn)入采動(dòng)影響范圍之前對(duì)其進(jìn)行加固，否則圍巖受到集中應(yīng)力破壞后將發(fā)生更大范圍的破壞。因此合理的確定采動(dòng)范圍就顯得尤為重要，在圍巖受到采動(dòng)影響之前進(jìn)行加固并在采動(dòng)范圍之內(nèi)加大支護(hù)強(qiáng)度往往能起到事半功倍的效果。

采動(dòng)影響范圍會(huì)隨著回采時(shí)間的延續(xù)逐漸變大，對(duì)于超長(zhǎng)工作面而言，其回采時(shí)間更長(zhǎng)，采動(dòng)影響范圍變大的問題更加突出。結(jié)合專家研究結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件，對(duì)該超長(zhǎng)工作面的不同回采時(shí)期的采動(dòng)影響范圍進(jìn)行合理確定：回采初期運(yùn)順和軌順分別超前支護(hù)40 m和60 m，中期分別超前支護(hù)60 m和80 m，后期分別超前支護(hù)80 m和100 m。通過對(duì)不同回采階段超前支護(hù)范圍的調(diào)整，超長(zhǎng)工作面兩巷壓力問題得到有效解決。

2.2 強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)

巷道圍巖在進(jìn)行支護(hù)處理后還要經(jīng)受超前采動(dòng)及圍巖長(zhǎng)期流變的影響，以往的支護(hù)方案僅考慮了超前采動(dòng)壓力的影響，安全系數(shù)選擇往往不大，當(dāng)圍巖發(fā)生長(zhǎng)期流變極易發(fā)生變形失穩(wěn)，因此在設(shè)計(jì)支護(hù)方案時(shí)必須對(duì)支護(hù)手段進(jìn)行強(qiáng)化。

2.2.1 錨桿(索)強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)

深井超長(zhǎng)工作面的圍巖會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的變化，常規(guī)錨桿(索)支護(hù)手段已不能滿足技術(shù)需求，必須對(duì)錨桿(索)支護(hù)進(jìn)行強(qiáng)化。錨桿(索)的強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)手段主要是通過對(duì)錨桿(索)、圍巖強(qiáng)度、承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化進(jìn)行。

錨桿(索)的強(qiáng)化：對(duì)于選用的錨桿，不僅要保證其本身強(qiáng)度高，還要對(duì)其附屬的部件有著很高的要求，其附件的穩(wěn)定性和強(qiáng)度必須過關(guān)，可以解決破軟巖(煤)體的網(wǎng)兜現(xiàn)象。井下現(xiàn)場(chǎng)使用的φ22 mm大直徑錨索，既提高了錨索的破斷力，又為施加高預(yù)緊力創(chuàng)造條件，解決了“三經(jīng)”匹配困難問題。

圍巖強(qiáng)度的強(qiáng)化：錨桿支護(hù)能改變錨固體破壞發(fā)生前后的受力狀態(tài)，使被錨固體力學(xué)性能發(fā)生變化，提高了各種形態(tài)的巖體的強(qiáng)度。

承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化：根據(jù)該工作面頂板層狀賦存的特性以及兩巷巖體不平衡性引起的弱化區(qū)域，形成了圍巖承載結(jié)構(gòu)，其中有弱面或軟弱夾層的頂板離層控制，以及對(duì)開放的底板、幫角巖體破壞區(qū)、軟弱煤體等進(jìn)行加固。

額外加固：強(qiáng)化支護(hù)過程中需額外對(duì)采煤幫頂板肩窩處進(jìn)行加固，且無論兩巷條件好壞必須保證100 m以上的超前加固距離。過斷層破碎帶時(shí)，巷道圍巖條件較差時(shí)，在巷道采煤幫側(cè)頂板處再補(bǔ)充施工一排縱向錨索梁，兩排錨索梁的排距1.2 m。如巷道超高嚴(yán)重，巷道高度達(dá)到4.0 m以上，需在煤幫中部再施工一排走向錨索梁。此外，局部巷道變形明顯、頂板破碎的地段必須超前進(jìn)行加固，主要為施工單點(diǎn)錨索(桿)的方式，首先采取有效的支護(hù)方式來防止兩巷圍巖發(fā)生松動(dòng)破壞，使圍巖一直存在于穩(wěn)定塑性區(qū)內(nèi)。

2.2.2 液壓?jiǎn)误w強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)

超長(zhǎng)工作面對(duì)支護(hù)強(qiáng)度要求更高，必須加以改進(jìn)創(chuàng)新，深部礦山壓力才能得到有效控制。對(duì)液壓?jiǎn)误w進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)后，其對(duì)深井巷壓的防治作用體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

發(fā)揮單體支護(hù)的雙效性：?jiǎn)误w支護(hù)對(duì)巷道頂?shù)装逋瑫r(shí)施加一個(gè)沿著半徑方向的受力，使頂、底板、深部圍巖由雙向受力變成三向受力，使圍壓得到了提高，從而加強(qiáng)頂、底板巖體的承載能力及穩(wěn)定性。

減小頂板下沉及底板鼓起：巷道頂、底板由于受到水平應(yīng)力作用，往往導(dǎo)致頂板下沉及底板鼓起，單體支護(hù)提供的支承力能夠有效的約束頂、底板沿軸向方向向沿空面的膨脹變形，同時(shí)沿水平方向約束巖層剪切錯(cuò)動(dòng)。

有利于壓力拱的形成：?jiǎn)误w支護(hù)能夠在頂、底板兩端形成圓錐形壓應(yīng)力區(qū)，當(dāng)單體支護(hù)的密度足夠大，單體與單體之間的間距足夠小時(shí)，各個(gè)單體以圓錐的形式存在，之間交錯(cuò)縱橫，在巖體中生成一個(gè)均衡的類似于帶狀的壓縮帶，即壓縮拱。圍巖承載結(jié)構(gòu)依據(jù)壓縮拱而形成，與此同時(shí)可以讓含弱面和軟弱夾層的頂板離層進(jìn)行有效的防控。

施工要點(diǎn)：在回采初期，保證運(yùn)順挑棚單體超前工作面不少于60 m，軌順挑棚單體超前工作面不少于80 m?；夭芍衅跅l件變差，要確保運(yùn)順挑棚單體超前工作面不少于80 m，軌順挑棚單體超前工作面不少于100 m。回采后期接近收作時(shí)，運(yùn)順挑棚單體超前工作面要大于或等于100 m，軌順超前工作面要大于或等于120 m。

2.3 變形控制技術(shù)

2.3.1 巷道底板變形控制技術(shù)

該工作面底板為泥巖，富含黏土礦物成分，穩(wěn)定性差，受到外力作用后極易產(chǎn)生底鼓。根據(jù)回采中、后期的觀測(cè)，底板鼓起高度最大達(dá)2.1 m，平均高度1.1 m。工作面兩巷的底鼓治理成為安全高效回采的重大研究課題。傳統(tǒng)臥底方式只超前臥下端頭至轉(zhuǎn)載機(jī)頭約45 m范圍內(nèi)底板，即只需滿足運(yùn)輸機(jī)頭與轉(zhuǎn)載機(jī)的搭接及機(jī)頭1#支架的空間需求即可。由于超前臥底量不足，實(shí)際回采過程中常常出現(xiàn)工作空間不足、支護(hù)強(qiáng)度低、巷道變形難以控制等問題。鑒于以上問題，在回采該工作面時(shí)創(chuàng)造性地采取了全斷面臥底方式，即將轉(zhuǎn)載機(jī)及皮帶機(jī)底板與人行道底板全斷面臥到規(guī)定高度，保持齊平的臥底方式。采取這種臥底方式，不僅方便施工人員通行，而且為作業(yè)人員提供了足夠的安全作業(yè)空間，避免了很多安全隱患；同時(shí)方便了單體支護(hù)作業(yè)，提升了支護(hù)強(qiáng)度；還能對(duì)兩幫地腳部位進(jìn)行支護(hù)，有利于控制巷道的幫部變形。實(shí)際施工過程中，在回采初期，兩巷超前臥底量不少于60 m；回采中期，兩巷超前臥底量不少于80 m；回采后期兩巷超前臥底量不少于100 m。兩巷若遇到斷層或破碎帶，條件較差時(shí)，適當(dāng)增加超前臥底量。此外，臥底時(shí)采取分階段、分層臥底：首先保證工作面向外45 m的臥底深度，工作面向外45m以外的巷道底板臥底深度不做要求，但工作面推進(jìn)的過程中，要不斷加大臥底深度，保證超前范圍內(nèi)巷道高度滿足最低標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3.2 巷道幫部變形控制技術(shù)

隨著巷道服務(wù)時(shí)間的增加，巷道幫部力學(xué)性質(zhì)不斷惡化，巷幫的破壞將不斷向深部轉(zhuǎn)移，破壞后的幫部將不斷發(fā)生擴(kuò)容及膨脹。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明回采后期接近收作線附近的巷道幫部變形劇烈，兩幫水平位移量最大3.0 m，平均2.1 m。為保證安全回采，采取在采煤幫超前刷擴(kuò)的措施。刷擴(kuò)前沿采煤幫頂板，距離煤壁600 mm，施工走向錨索梁，錨索梁下打單體進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，一梁五柱。刷擴(kuò)寬度不低于1.2 m，刷擴(kuò)后的頂板施工順山錨索梁，順山錨索梁與之前打的走向錨索梁搭接處下打單體進(jìn)行支護(hù)。刷擴(kuò)時(shí)施工的錨索梁下，全部打單體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，盡可能多打單體，確保支護(hù)強(qiáng)度。巷道變形的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，超前撕幫對(duì)幫部的變形有較好的控制作用，故實(shí)際施工中應(yīng)盡可能超前撕幫。根據(jù)該超長(zhǎng)工作面的工程實(shí)踐，若想使巷道斷面得到合理的控制，最少超前工作面150 m的長(zhǎng)度。

2.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益

本次試驗(yàn)的長(zhǎng)距離工作面較以往2個(gè)正?；夭擅骈_采，少了一次工作面的紉網(wǎng)、擴(kuò)面作業(yè)。采煤工作面安全管理的重點(diǎn)、難點(diǎn)便是采煤面的紉網(wǎng)、擴(kuò)面作業(yè)，減少一次紉網(wǎng)、收作能夠極大排除井下采煤的安全隱患。此外，避免了一個(gè)切眼巷道、一次設(shè)備的安裝、拆除、收作。根據(jù)該礦11槽煤回采實(shí)踐，一個(gè)走向232 m的切眼巷道施工，需工期2個(gè)月，工作面安裝需工期1.5個(gè)月，拆除需1.5個(gè)月，收作需1個(gè)月。工作面回采期間可節(jié)約工期6個(gè)月，同時(shí)節(jié)約巷道造價(jià)、安裝拆除費(fèi)資金約數(shù)千萬，在礦井工作面接替、達(dá)成產(chǎn)量、完成經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面都貢獻(xiàn)了不可估量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3 結(jié)論

(1)深井超長(zhǎng)工作面的安全高產(chǎn)高效生產(chǎn)對(duì)支護(hù)技術(shù)要求十分嚴(yán)格，通過對(duì)兩淮礦區(qū)深井超長(zhǎng)工作面回采過程中出現(xiàn)的突出問題進(jìn)行分析，總結(jié)了深井超長(zhǎng)工作面兩巷礦山壓力顯現(xiàn)的特征及當(dāng)前治理技術(shù)的局限性。

(2)以兩淮礦區(qū)典型超長(zhǎng)工作面為例，對(duì)回采周期增加條件下工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律及礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)化、水、溫度、巖體流變等外部作用下覆巖破斷周期呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，礦壓顯現(xiàn)在回采后期更加劇烈，圍巖變形更加嚴(yán)重。

(3)根據(jù)礦區(qū)圍巖賦存特征，針對(duì)性地提出強(qiáng)化支護(hù)、控制變形、合理確定超前支護(hù)范圍等一系列礦壓治理關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)不同煤層(群)、巖層地質(zhì)條件及回采工藝，確定巷內(nèi)支護(hù)和超前支護(hù)的合理范圍，并通過協(xié)同支護(hù)、重點(diǎn)區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)等具體措施對(duì)兩巷礦山壓力進(jìn)行了有效治理，總結(jié)出一套規(guī)范、完整的超長(zhǎng)工作面回采技術(shù)方案及作業(yè)流程，保證了超長(zhǎng)工作面的安全高效生產(chǎn)。