孤島工作面開采技術探究

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0引言

在煤炭資源開采工作持續推進的背景下，礦井開采強度不斷增大，礦井開采深度也不斷增加。孤島工作面是大量出現在深部開采礦井內部的一種工作面，受大采深、高應力的多重作用，沖擊地壓、冒頂事故發生概率較高。因此，研究孤島工作面的開采技術具有非常突出的現實意義。

1孤島工作面概況

以某一孤島工作面為例，該孤島工作面所在原采區下條帶回采區，投產時間為2015年6月，回采結束時間為2019年10月，2020年決定對采區進行全采，回收原工作面留設的條帶煤柱。根據采區設計條帶開采情況可知，采區為孤島高普工作面，可采儲量32×104t，同時受已回采工作面瓦斯、頂板、水災害的威脅。具體表現為：孤島開采周期來壓頻繁，達到7~12m（正常工作面來壓17~22m），且在周期來壓期間工作面頂板壓力上升，支柱下沉量增加，煤機割煤后未掛梁及頂板斷裂現象較為常見。在工作面緩慢推進過程中，應力大量匯聚在煤壁，造成超前壓力上升，伴隨兩巷支架變形與底鼓現象，給兩巷超前管理提出了較大的難題。

2孤島工作面開采順序

在同一煤層，各工作面接替順序對圍巖應力分布、能量卸除范圍具有直接影響。在孤島工作面一側為采空區時，相應工作面將同時承受采空區側向壓力、超前支護壓力，圍巖應力匯集到孤島工作面一側；而在孤島工作面兩側為采空區時，相應工作面煤壁前方、煤壁兩端均承受中部支承壓力，高級別能力匯聚在工作面前方。由于該孤島工作面形狀不規則，在綜放開采模式下，可以將其劃分為大面、小面開采兩個部分。綜合考慮煤巖層沖擊傾向性、煤柱展布形態、巷道掘進與回采期間沖擊地壓顯現特征等因素，采用適宜整體開采順序，防控沖擊地壓[1]。在孤島工作面劃分的基礎上，可以選擇先小面開采后大面開采、先大面開采后小面開采、大面與小面混合開采多種順序。先小面開采后大面開采，會導致大面在小面開采后成為孤島工作面，回風巷道成為支承壓力匯聚位置，受支承壓力疊加影響，并在未垮落頂板部分匯聚彈性能量以拐角形式沖擊地壓；而先開采大面后開采小面，小寬度工作面極易在大面回采結束后形成新的孤島工作面，支承壓力顯著上升，能量大量積聚，甚至造成礦震情況；大面與小面間歇式整體開采，主要是根據周邊工作面開采時沖擊地壓特征，結合不規則孤島工作面位置形狀，緩慢釋放沖擊能量，實現沖擊能量可控。因此，可以選擇大面與小面間歇式整體開采順序。

3孤島工作面開采技術應用要點

3.1前期準備

3.1.1上下巷整修針對上下巷變形嚴重情況，技術人員可以臨近工作面80m巷道為重點，以中間巷道交岔口為節點，清理冒頂區域，對頂幫金屬網局部破裂部位重新打錨網支護。而對于巷道下幫，則在留設待續支架寬度的基礎上，順巷道打頂以及錨索，控制巷道寬度大于等于2m，軌面以上高度大于等于2.8m。同時，對于下巷上幫嚴重變形區域，清除局部松散片幫，完成擴幫，確保巷道寬度大于等于4.2m，臥底后高度大于等于3.2m。在這個基礎上，采用2.4m長棒錨桿+順巷鋼帶梁+6.5m長棒錨索的聯合支護模式，局部嚴重變形位置利用錨網+頂部槽鋼錨索聯合支護代替全部工字鋼支護，降低巷道位置移動風險。3.1.2工作面整修針對工作面頂板冒頂以及局部片幫淤積煤渣問題，技術人員可以從下層到上層開展裸露頂板錨網支護，將懸吊木垛設置到局本部冒頂區域頂板。錨網支護用材為注塑網，較之原金屬網腐蝕、變形概率更小[2]。同時，將40t溜子鋪設在工作面運輸機上部，及時清理溜子機道產區煤渣，為后期工作面開采提供一個安全的環境。

3.2超前煤柱卸壓為降低案例孤島工作面開采期間沖擊地壓風險，技術人員應以開采大面、開采小面之間留設的煤柱為對象，綜合考慮兩側應力疊加與彈性能積聚規律，在大面與小面混合開采時調整小面超前大面20.0~23.0m。并采用動態爆破技術，隨時協調高應力區域能量釋放水平，處理壓力集中區域造成的底部鼓起情況，確保大面開采作業均衡推進。動態爆破技術是一種內部爆破技術，可以促使煤層內產生大量裂隙，降低彈性模量以及積聚的彈性能。在動態爆破技術應用過程中，技術人員可以鉆設深孔，連續起爆，鉆孔參數如表1所示。若初次卸壓效果不理想，可以依據前期設計參數進行二次爆破，其中第一次爆破卸壓距離為5m，第二次爆破卸壓距離為2.5m。除了動態爆破卸壓外，技術人員還可以將一套輕型刮板輸送機布置在風巷內，與開采作業面運輸機尾部搭接，完成拉底擴幫，便于在巷道中間一定范圍內設置卸壓槽。卸壓槽寬度為1.0m，高度為2.8m，在卸壓槽內大直徑、小間距鉆孔預先可卸除壓力，為孤島工作面弱沖擊危險區域回采過程安全提供保障[3]。

3.3工作面支護

3.3.1巷道支護根據案例孤島工作面回采斷面，可以選擇不同的巷道支護方式。對于斷面為矩形的巷道，技術人員可以選擇錨網梁支護方式[4]。幫錨桿為直徑16.0~2000.0mm圓鋼錨桿，錨桿之間距離為700.0mm，相鄰排錨桿之間距離為700.0mm；頂部錨桿為直徑22.0~2400.0mm螺紋鋼錨桿，錨桿之間距離為800.0mm，相鄰排錨桿之間距離為700.0mm；頂部錨網片為長1000.0mm×寬1000.0mm網片，網格為正方形，邊長為50.0mm；幫網片為菱形鐵絲網，補償支護為直徑15.2~7000.0mm的錨索梁，錨索梁之間距離2.0m，距離兩幫600.0mm。

3.3.2頂板支護對于孤島工作面頂板，技術人員可以面向工作面布置2條測線，測線上相鄰測點之間距離為30.0~50.0m，每一測點均安裝壓力記錄儀或者應力監測系統、頂板離層儀，每周觀測一次，24h處理分析監測數據，確定工作面老頂初次來壓步距以及周期來壓步距，并計算工作面兩順槽超前支承壓力影響范圍，得出結果見表2。根據觀測結果，在垮落法管理采空區頂板的基礎上.經液壓支架支護工作面頂板。而在采煤機割煤進入尾聲時，利用帶壓擦頂方式或者滯后采煤機滾筒（一般為4架滾筒到6架滾筒）先后移動支架、運輸機。一般移架到采煤機滾筒6架后需立即支撐，而推溜需要滯后采煤機滾筒10.0m以上、15.0m以內。隨著割煤空間變化，降低滾筒停煤機，在承壓一定的情況下重復移動支架，直至割完破碎頂板、片幫嚴重變形區域煤層。在工作面頂板下沉量急劇增加、底部鼓起量急劇增加、幫部嚴重收斂時，技術人員應第一時間進行長錨索強化支護；如果工作面液壓支架阻力急劇增加，則在及時補充液壓支架液體的基礎上加快推幫速度。

3.3.3順槽支護對于兩順槽，技術人員可以選擇20m及以上的超前加強支護，在兩順槽超前壓力處于較高水平時，技術人員應適當增加超前支護長度[5]。整體支護工具為單體液壓支柱、鉸接頂梁，一般需要鋪設5路長800.0mm×寬600.0mm金屬十字頂梁組成的鉸接頂梁，順端頭切頂線至工作面煤壁20.0m范圍內配合液壓單體支柱支護，或者與長1000.0m金屬一字梁組成網狀頂梁。局部頂板破碎位置以及巷道超高段支護工具為：方木接實頂板+鉸接頂梁上#型木垛接頂+2單體支柱（壓力顯現明顯階段在巷道中部/緊靠刮板輸送機外沿加打1排柱梁）。其中，2排鉸接頂梁排距為2.4m，單體液壓支柱支護頂板步距為1.2m，中間行支護距離大于等于20m。

3.4綜合機械化開采在案例孤島工作面開采時，技術人員可以選擇綜合機械化采煤工藝，配合垮落法采空區頂板處理以及支架有效支護，一次性采全高。一般需要在貫通聯絡巷與泵站的基礎上，掘進運料行到切眼位置[6]。進而掘進切眼，在回采階段煤層厚度超過3.5m時，跟頂撇底回采控制回采高度低于3.3m。同時，考慮到工作面綜放機械化開采進入大小面間歇式開采后，受分層復合頂板、鋪網質量、煤層產狀等諸多因素影響，極易產生冒頂現象，技術人員應利用截割深度達800.0mm、最大牽引速度達15.0m/min的采煤機代替截割深度為600.0mm、最大牽引速度達5.0m/min的采煤機，利用鏈軌牽引的運輸機代替齒條牽引的運輸機，調整前梁千斤頂缸距為140.0mm，解決大小面間歇式開采期間頂板控制問題。在綜合機械化開采過空巷時，技術人員可以利用插刀調斜法，調整工作面與空巷中心線夾角，促使溜子道端頭超前材料道端頭15.0m以上、20.0m以內，貫通工作面與空巷，為工作面與空巷之間形成的三角形媒體切割做好準備[7]。若孤島工作面與空巷不成斜角，則技術人員可以選擇等壓過空巷技術，隨工作面推進自然垮落頂板，調整支承壓力峰值深入孤島工作面前方煤體，其與煤體之間距離大于2.0m、小于10.0m。在綜合機械化開采過斷層時，由于部分隱伏小斷層無法完整探測，技術人員可以利用采煤機直接破矸的方式代替放炮過斷層。同時根據斷層賦存特征，由斷層面向機頭或者由斷層面向機尾方向，調大煤機提刀量至10°，確保切割巖石后局部開采高度達到煤機通過標準，配合支架強化支護，降低過斷層難度。

4結語

孤島工作面開采是緩解老舊礦井煤炭資源緊張問題的有效手段。孤島工作面頂板礦壓顯現較為強烈，經過舊巷時礦壓沖擊較為嚴重。因此，在孤島工作面開采時，技術人員應根據工作面既往情況，確定適宜的開采方法、順序，幫助孤島工作面脫離應力疊加狀態。同時根據實際情況，進行工作面高度危險區域的壓力卸除操作，降低沖擊地壓、冒頂問題發生概率。

參考文獻

[1]胡貝貝.淺埋藏不規則孤島工作面安全開采關鍵技術探索[J].內蒙古煤炭經濟,2021(6):51-52.

[2]劉國良.三面采空孤島工作面安全開采技術研究[J].內蒙古煤炭經濟,2019(13):49-51.

[3]王斌,王貴余,孫劉詠,等.孤島工作面采空區自燃“三帶”劃分實測研究[J].能源技術與管理,2021(6):98-100.

[4]李旭勤.西曲礦孤島工作面安全高效回采措施[J].山東煤炭科技,2021(11):227-228.

作者:范占旗 單位:山西新安工程設計咨詢有限公司有限公司