论文部分内容阅读
[摘 要]针对采空区下孤岛工作面回采所面临的技术难题，通过对现场实测矿压数据进行统计、分析，结合矿井实际生产情况，通过对工作面顶板、机风巷及上下端头采取有效地技术措施，同时加强瓦斯管理，实现了采空区下孤岛工作面的顺利回采。
[关键词]采空区；孤岛工作面；矿压数据；技术措施；瓦斯管理
中图分类号：TD823.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）11-0314-02
随着煤矿开采的延深，受地质条件、煤层埋深及赋存条件、采掘技术水平等因素影响，同时出于瓦斯治理、采掘接替等回采需要，以及矿井回采后期边角块段或大巷保护煤柱回收等，采区内工作面不可避免的形成了孤岛工作面。在煤层群回采过程中，上煤层的回采必然会导致煤层群上覆岩层的破坏，当下煤层进行回采时，上覆岩层的结构状态与单一煤层回采时相比有较大的不同，导致采空区下孤岛工作面矿压显现表现出不同的特征，造成工作面应力集中、围岩破坏加剧，并可能产生冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害。
目前，采空区下工作面回采以及一般孤岛工作面回采都有相关的研究并取得了良好的效果，但采空区下孤岛工作面的回采研究甚少。淮北矿业集团许疃煤矿7227工作面处于7127工作面采空区下，其相邻7225及7229两个工作面均已回采，是典型的采空区下孤岛工作面回采。本论文以此为研究背景，通过现场实测矿压数据，分析上覆岩层运动和破坏特征、分布规律及对回采的影响，采取有效地支护手段对工作面顶板、两巷及上下端头进行管理，确保工作面顺利推进，同时加强瓦斯管理，防止瓦斯涌出产生事故。
1、工作面概况
7227工作面位于82下采区左翼一阶段，南到81采区7219工作面收作线附近，北到大巷保安煤柱线，西邻7225工作面（已回采），东邻7229工作面（已回采）。工作面外段上覆7127综采工作面（已回采）。工作面平面布置见图1-1。
工作面标高-480～-530m。地面标高为+25.4～+25.6m。里段走向130m，平均斜长164m，外段走向925m，平均斜长182m，工作面回采1055m。里段460m煤层较厚，该范围内煤厚4.4～6.63m，平均5.03m，外段595m处于原7127采空区下，煤厚2.4～3.7m，平均2.65m；局部受构造影响被破坏或已采出，且该段72煤层与上部71煤层呈分岔合并关系，层间距在0.7～4.0m，平均2.30m。
工作面地质构造复杂，总体上为南北走向，向东倾斜的单斜构造，工作面煤层走向有几处小起伏，煤层倾角5～35°，平均15°。工作面顶底板岩性见下表。
细砂岩，灰色，细中粒结构，由石英组成，次为其它矿物，分选较好，具有缓波状水平层理。
2、矿压观测及分析
在工作面内部，每隔5架液压支架安装一块双指针抗震压力表，量程60MPa， 压力表位置统一，损坏的压力表及时更换；在工作面机风巷，每隔50m设置一个测站，每个测站设置4个观测点（顶、底、两帮各一个点），采用“十”字布点法，利用测杆和钢卷尺进行测量，以便观测受采动影响的巷道变形量。每班安排专人对矿压数据进行观测并及时记录。工作面矿压显现规律见图1-2。
根据观测数据分析，在回采初期，里段工作面处于非采空区下孤岛工作面，两端头支架载荷较大，中部支架载荷稍小，工作面顶板来压时，有接近支架额定工作阻力的载荷出现，两端头甚至有超过支架工作阻力的冲击载荷出现。工作面顶板下沉量随着距两巷距离的增大而增大，当距离巷道50m时，顶板下沉量基本保持不变。工作面机风巷变形量，随着工作面不断推进，距离测站越近，巷道变形量也就越大，两巷超前影响范围达100m左右。
在回采过程中，工作面处于7127采空区下时，支架载荷仍表现出两端头大、中部小，但相对里段非采空区下工作面，支架载荷相对要小，降低有30%左右。顶板下沉量也表现出两端小中间大，但相對里段工作面，顶板下沉量变大。工作面机风巷超前影响范围达150m左右。
根据观测结果可知，采空区下孤岛工作面超前影响范围为15m左右，两侧采空区影响范围为50m左右，机风巷超前影响范围为150m左右。
3、回采时顶板管理技术
（1）工作面顶板管理
①支架合理选型
7227工作面直接顶为泥岩，顶板比较破碎，工作面应尽量选择前梁具有伸缩性能并带有护帮板的支架，采煤机通过后立即前移支架或打开支架的护帮板和伸缩梁，支护刚暴露的顶板煤帮，伸出伸缩梁，最大限度缩小端面距。根据该工作面的煤层赋存条件及集团公司液压支架的使用现状，通过初选并经过适应性校验和适用性分析，选用ZZ7600-18/36支撑掩护式液压支架，额定初撑力6970KN，额定工作阻力7600 KN，额定支护强度1.01MPa，支架高度1.8～3.6m，底座前端比压2.52MPa 。
②严格控制采高
在一定地质条件下，采高是影响上覆岩层破坏状态的最重要因素之一，在一定岩层组成的条件下，回采工作面的顶板下沉量与采高、控顶距的大小成正比关系，因此采高越高，在同样位置老顶取得平衡的几率越小，采高增加，顶板压力将迅速扩大；同时采高越大煤壁承受能力越小，工作面越容易片帮掉顶。根据工作面支架及煤机滚筒直径等因素，确定采高为2.5m左右。
③带压移架
当采用正常操作程序移架时，很难保证顶板的完整性，容易使破碎顶板从支架间隙中漏下，此时可以考虑带压擦顶移架，在移架过程中支架始终起着支撑作用，防止顶板的二次破碎，在煤壁、支架、采空区矸石三点支撑老顶的力学模型上，可以有效地分担煤壁对顶板的支撑重量，这样可以防止煤壁片帮，改善工作面的回采条件。
④及时支护
由于直接顶较为破碎，采煤机割完煤之后，空顶面积将会变大0.6～1m，这样会导致位于支架顶梁及煤壁之间的浮矸冒落，为了防止这种情况的发生，采煤机割煤后先移支架，后移输送机，移架后护帮装置及时支护，防止煤壁片帮。移架工作滞后煤机前滚筒6～9m进行，若拉架工作跟不上煤机时，应停下煤机移架。 （2）兩巷超前管理
机风巷超前管理距离不少于30m， 机风巷超前煤壁不少于15m进行抹帽管理，抹帽段使四排走向棚，一梁两柱，支柱棵棵穿鞋、软底段下木底梁，初撑力≥70KN，抹帽棚向外超前地段可采用单排点柱加强支护，如果两巷顶板压力显现明显可适当增加超前管理范围，保证两巷通风、行人及运料安全。
（3）上下端头支护
工作面上端头使用单体配合铰接顶梁支护。端头处支架与两巷邻近单体支柱之间的距离不得大于500mm，否则必须加补单体支柱棚，托棚使用4m长π型梁或φ200×4000mm圆木做梁，一梁三柱，铰接或错茬迈步使用。
工作面下端头前期采用ZTZ30000/19/35端头液压支架支护，使用端头支架时下端头的支护上起到了安全、高强度等作用。
4、瓦斯防治技术
7227工作面有可采原煤储量95.16万t，瓦斯含量在3.55m3/t，瓦斯压力在0.474MPa，总瓦斯储量为321.314万m3，其瓦斯主要来源是回采时本煤层涌出、受采动影响围岩赋存瓦斯涌出以及采空区瓦斯涌出。该工作面相对瓦斯涌出量为3.684m3/t，按最高日产量6000t计算，该工作面回采期间最大绝对瓦斯涌出量将达到12.79m3/min。为解决本煤层瓦斯涌出，采用高位钻场、顺层孔及上隅角迈步埋管的方式来解决瓦斯问题。
根据7227工作面回采期间瓦斯来源分析，工作面里段71煤与72煤合并区域采用顺层钻孔、高位钻孔、上隅角埋管的方法治理瓦斯；外段采空区下采用上隅角埋管治理瓦斯治理。同时通过加大瓦斯管理力度，编制针对性的瓦斯管理安全技术措施，并严格予以执行，将该工作面纳入瓦斯采煤工作面予以管理，实行“四员一体”瓦斯管理模式，强化上隅角管理力度，必须及时将上、下隅角支护材料拆除，确保上、下隅角能够及时垮落，垮落不合格的，要予以充填。
5、效果结论
（1）7227工作面自2013年9月初放开始至2015年5月铺网结束，前期通过对矿压数据的实测、记录、分析，掌握了采空区下孤岛工作面矿压显现规律，为后期工作面顶板、两巷及上下端头的支护范围和支护强度提供了基础依据。对工作面的安全回采提出了具体措施，避免了在高应力作用下覆岩对支架的冲击，减少了顶板事故。
（2）从接近20个月的回采效果看，本工作面选用支撑掩护式支架满足工作面内部顶板管理和安全生产实际需要，但机巷沿空掘进，端头支架在本工作面使用效果不理想。
（3）通过加强瓦斯管理，采取有效地抽采措施，避免了采空区下孤岛工作面回采期间瓦斯超限事故的发生。
（4）从回采至收作期间，工作面实现了零轻伤、零瓦斯超限事故的安全回采。实践证明，许疃煤矿7227采空区下孤岛综采工作面安全回采所采用的技术措施及顶板管理经验，能够有效解决孤岛综采工作面安全回采中的相关技术难题，能够在类似地质条件采空区下孤岛综采工作面的安全回采中推广运用。
[关键词]采空区；孤岛工作面；矿压数据；技术措施；瓦斯管理
中图分类号：TD823.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）11-0314-02
随着煤矿开采的延深，受地质条件、煤层埋深及赋存条件、采掘技术水平等因素影响，同时出于瓦斯治理、采掘接替等回采需要，以及矿井回采后期边角块段或大巷保护煤柱回收等，采区内工作面不可避免的形成了孤岛工作面。在煤层群回采过程中，上煤层的回采必然会导致煤层群上覆岩层的破坏，当下煤层进行回采时，上覆岩层的结构状态与单一煤层回采时相比有较大的不同，导致采空区下孤岛工作面矿压显现表现出不同的特征，造成工作面应力集中、围岩破坏加剧，并可能产生冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害。
目前，采空区下工作面回采以及一般孤岛工作面回采都有相关的研究并取得了良好的效果，但采空区下孤岛工作面的回采研究甚少。淮北矿业集团许疃煤矿7227工作面处于7127工作面采空区下，其相邻7225及7229两个工作面均已回采，是典型的采空区下孤岛工作面回采。本论文以此为研究背景，通过现场实测矿压数据，分析上覆岩层运动和破坏特征、分布规律及对回采的影响，采取有效地支护手段对工作面顶板、两巷及上下端头进行管理，确保工作面顺利推进，同时加强瓦斯管理，防止瓦斯涌出产生事故。
1、工作面概况
7227工作面位于82下采区左翼一阶段，南到81采区7219工作面收作线附近，北到大巷保安煤柱线，西邻7225工作面（已回采），东邻7229工作面（已回采）。工作面外段上覆7127综采工作面（已回采）。工作面平面布置见图1-1。
工作面标高-480～-530m。地面标高为+25.4～+25.6m。里段走向130m，平均斜长164m，外段走向925m，平均斜长182m，工作面回采1055m。里段460m煤层较厚，该范围内煤厚4.4～6.63m，平均5.03m，外段595m处于原7127采空区下，煤厚2.4～3.7m，平均2.65m；局部受构造影响被破坏或已采出，且该段72煤层与上部71煤层呈分岔合并关系，层间距在0.7～4.0m，平均2.30m。
工作面地质构造复杂，总体上为南北走向，向东倾斜的单斜构造，工作面煤层走向有几处小起伏，煤层倾角5～35°，平均15°。工作面顶底板岩性见下表。
细砂岩，灰色，细中粒结构，由石英组成，次为其它矿物，分选较好，具有缓波状水平层理。
2、矿压观测及分析
在工作面内部，每隔5架液压支架安装一块双指针抗震压力表，量程60MPa， 压力表位置统一，损坏的压力表及时更换；在工作面机风巷，每隔50m设置一个测站，每个测站设置4个观测点（顶、底、两帮各一个点），采用“十”字布点法，利用测杆和钢卷尺进行测量，以便观测受采动影响的巷道变形量。每班安排专人对矿压数据进行观测并及时记录。工作面矿压显现规律见图1-2。
根据观测数据分析，在回采初期，里段工作面处于非采空区下孤岛工作面，两端头支架载荷较大，中部支架载荷稍小，工作面顶板来压时，有接近支架额定工作阻力的载荷出现，两端头甚至有超过支架工作阻力的冲击载荷出现。工作面顶板下沉量随着距两巷距离的增大而增大，当距离巷道50m时，顶板下沉量基本保持不变。工作面机风巷变形量，随着工作面不断推进，距离测站越近，巷道变形量也就越大，两巷超前影响范围达100m左右。
在回采过程中，工作面处于7127采空区下时，支架载荷仍表现出两端头大、中部小，但相对里段非采空区下工作面，支架载荷相对要小，降低有30%左右。顶板下沉量也表现出两端小中间大，但相對里段工作面，顶板下沉量变大。工作面机风巷超前影响范围达150m左右。
根据观测结果可知，采空区下孤岛工作面超前影响范围为15m左右，两侧采空区影响范围为50m左右，机风巷超前影响范围为150m左右。
3、回采时顶板管理技术
（1）工作面顶板管理
①支架合理选型
7227工作面直接顶为泥岩，顶板比较破碎，工作面应尽量选择前梁具有伸缩性能并带有护帮板的支架，采煤机通过后立即前移支架或打开支架的护帮板和伸缩梁，支护刚暴露的顶板煤帮，伸出伸缩梁，最大限度缩小端面距。根据该工作面的煤层赋存条件及集团公司液压支架的使用现状，通过初选并经过适应性校验和适用性分析，选用ZZ7600-18/36支撑掩护式液压支架，额定初撑力6970KN，额定工作阻力7600 KN，额定支护强度1.01MPa，支架高度1.8～3.6m，底座前端比压2.52MPa 。
②严格控制采高
在一定地质条件下，采高是影响上覆岩层破坏状态的最重要因素之一，在一定岩层组成的条件下，回采工作面的顶板下沉量与采高、控顶距的大小成正比关系，因此采高越高，在同样位置老顶取得平衡的几率越小，采高增加，顶板压力将迅速扩大；同时采高越大煤壁承受能力越小，工作面越容易片帮掉顶。根据工作面支架及煤机滚筒直径等因素，确定采高为2.5m左右。
③带压移架
当采用正常操作程序移架时，很难保证顶板的完整性，容易使破碎顶板从支架间隙中漏下，此时可以考虑带压擦顶移架，在移架过程中支架始终起着支撑作用，防止顶板的二次破碎，在煤壁、支架、采空区矸石三点支撑老顶的力学模型上，可以有效地分担煤壁对顶板的支撑重量，这样可以防止煤壁片帮，改善工作面的回采条件。
④及时支护
由于直接顶较为破碎，采煤机割完煤之后，空顶面积将会变大0.6～1m，这样会导致位于支架顶梁及煤壁之间的浮矸冒落，为了防止这种情况的发生，采煤机割煤后先移支架，后移输送机，移架后护帮装置及时支护，防止煤壁片帮。移架工作滞后煤机前滚筒6～9m进行，若拉架工作跟不上煤机时，应停下煤机移架。 （2）兩巷超前管理
机风巷超前管理距离不少于30m， 机风巷超前煤壁不少于15m进行抹帽管理，抹帽段使四排走向棚，一梁两柱，支柱棵棵穿鞋、软底段下木底梁，初撑力≥70KN，抹帽棚向外超前地段可采用单排点柱加强支护，如果两巷顶板压力显现明显可适当增加超前管理范围，保证两巷通风、行人及运料安全。
（3）上下端头支护
工作面上端头使用单体配合铰接顶梁支护。端头处支架与两巷邻近单体支柱之间的距离不得大于500mm，否则必须加补单体支柱棚，托棚使用4m长π型梁或φ200×4000mm圆木做梁，一梁三柱，铰接或错茬迈步使用。
工作面下端头前期采用ZTZ30000/19/35端头液压支架支护，使用端头支架时下端头的支护上起到了安全、高强度等作用。
4、瓦斯防治技术
7227工作面有可采原煤储量95.16万t，瓦斯含量在3.55m3/t，瓦斯压力在0.474MPa，总瓦斯储量为321.314万m3，其瓦斯主要来源是回采时本煤层涌出、受采动影响围岩赋存瓦斯涌出以及采空区瓦斯涌出。该工作面相对瓦斯涌出量为3.684m3/t，按最高日产量6000t计算，该工作面回采期间最大绝对瓦斯涌出量将达到12.79m3/min。为解决本煤层瓦斯涌出，采用高位钻场、顺层孔及上隅角迈步埋管的方式来解决瓦斯问题。
根据7227工作面回采期间瓦斯来源分析，工作面里段71煤与72煤合并区域采用顺层钻孔、高位钻孔、上隅角埋管的方法治理瓦斯；外段采空区下采用上隅角埋管治理瓦斯治理。同时通过加大瓦斯管理力度，编制针对性的瓦斯管理安全技术措施，并严格予以执行，将该工作面纳入瓦斯采煤工作面予以管理，实行“四员一体”瓦斯管理模式，强化上隅角管理力度，必须及时将上、下隅角支护材料拆除，确保上、下隅角能够及时垮落，垮落不合格的，要予以充填。
5、效果结论
（1）7227工作面自2013年9月初放开始至2015年5月铺网结束，前期通过对矿压数据的实测、记录、分析，掌握了采空区下孤岛工作面矿压显现规律，为后期工作面顶板、两巷及上下端头的支护范围和支护强度提供了基础依据。对工作面的安全回采提出了具体措施，避免了在高应力作用下覆岩对支架的冲击，减少了顶板事故。
（2）从接近20个月的回采效果看，本工作面选用支撑掩护式支架满足工作面内部顶板管理和安全生产实际需要，但机巷沿空掘进，端头支架在本工作面使用效果不理想。
（3）通过加强瓦斯管理，采取有效地抽采措施，避免了采空区下孤岛工作面回采期间瓦斯超限事故的发生。
（4）从回采至收作期间，工作面实现了零轻伤、零瓦斯超限事故的安全回采。实践证明，许疃煤矿7227采空区下孤岛综采工作面安全回采所采用的技术措施及顶板管理经验，能够有效解决孤岛综采工作面安全回采中的相关技术难题，能够在类似地质条件采空区下孤岛综采工作面的安全回采中推广运用。