復(fù)采工作面過煤柱、空巷支護(hù)技術(shù)研究

李玉龍，和盧斌

(1. 晉城煤業(yè)集團(tuán) 晉圣三溝鑫都煤業(yè)，山西 晉城 048000； 2. 晉城煤業(yè)集團(tuán) 生產(chǎn)技術(shù)處，山西 晉城 048000)

1 概 況

1.1 礦井概況

山西晉煤集團(tuán)澤州天安圣華煤業(yè)有限公司位于澤州縣下村鎮(zhèn)南、西直線距離3.0 km處，南、北、西均為晉煤集團(tuán)成莊煤礦，南東為岳南煤礦，井田北東方向約20 km有太焦鐵路線的北板橋車站。圣華煤業(yè)3#煤層位于山西組下部，煤層厚6.52～6.85 m，平均厚6.65 m，含1～2層夾矸，夾矸總厚一般小于0.5 m，屬于厚煤層。煤層結(jié)構(gòu)簡單，頂板為中細(xì)粒砂巖、粉砂巖，底板為粉砂質(zhì)泥巖，全區(qū)穩(wěn)定可采。圣華煤業(yè)3#煤舊采區(qū)域煤層賦存特點(diǎn)：

1) 主要復(fù)采區(qū)域普遍采用以掘代采或巷柱式采煤法，沿底板掘進(jìn)，掘進(jìn)高度一般為2.5 m，復(fù)采區(qū)內(nèi)留有大量的頂煤及煤柱。

2) 經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研及煤巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)可知，3#煤硬度較小，舊采區(qū)內(nèi)的空區(qū)、空巷經(jīng)長時(shí)間放置，頂煤及煤幫出現(xiàn)小范圍的冒頂及片幫，復(fù)采區(qū)內(nèi)煤層賦存結(jié)構(gòu)為空區(qū)、空巷、冒落區(qū)及煤柱并存。

1.2 復(fù)采區(qū)開采技術(shù)條件

對舊采區(qū)采煤方法及煤柱殘存現(xiàn)狀分析可知，3#煤經(jīng)過舊式開采后，形成大量煤柱和空巷共存形態(tài)。在復(fù)采區(qū)掘進(jìn)巷道時(shí)，會不斷通過這些煤柱、空巷。

1) 煤柱。

殘留煤柱形態(tài)圖見圖1. 由圖1可知，舊采后所留煤柱寬度為12～14 m，兩邊各有3 m×2.5 m的巷道，經(jīng)過多年放置，煤柱邊緣空巷裸露處存在風(fēng)化現(xiàn)象，強(qiáng)度有所降低。

圖1 殘留煤柱形態(tài)圖

2) 空巷。

殘留空巷形態(tài)圖見圖2. 由圖2可知，舊采后所留空巷寬度為2.5～4.0 m，高為2.5 m，支護(hù)方式采用簡單的木支護(hù)，或完全不支護(hù)，經(jīng)過多年放置，木柱已腐朽，巷道基本處于無支護(hù)狀態(tài)，頂板有所下沉，兩幫部分片落。

圖2 殘留空巷形態(tài)圖

2 復(fù)采巷道圍巖加固及支護(hù)技術(shù)方案

2.1 工作面與空巷相對位置關(guān)系

舊采區(qū)的空巷是指開掘后未經(jīng)刷擴(kuò)且頂板保持完整的原小窯廢棄巷道。經(jīng)對圣華煤業(yè)原舊采技術(shù)資料分析和現(xiàn)場調(diào)研可知，3#煤層為厚煤層，舊采殘留巷道沿煤層底板掘進(jìn)，巷高一般為2.2～2.5 m，巷道寬2.5～3 m，見圖3. 而根據(jù)遺留空巷與工作面的空間位置關(guān)系，煤層底板空巷可以分為與工作面平行空巷、與工作面斜交空巷、與工作面垂直空巷。

圖3 圣華煤業(yè)舊采區(qū)空巷示意圖

2.2 復(fù)采采場應(yīng)力及位移分布特征

以晉煤集團(tuán)澤州天安圣華煤業(yè)3#復(fù)采煤層首采工作面3101為地質(zhì)原型，進(jìn)行了殘煤復(fù)采綜采工作面平面相似模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用平面應(yīng)變?nèi)嵝约虞d試驗(yàn)裝置結(jié)合多種測試手段，對殘煤復(fù)采過程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及圍巖變形規(guī)律進(jìn)行研究。

2.2.1模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架采用太原理工大學(xué)研制的平面應(yīng)變?nèi)嵝约虞d試驗(yàn)裝置，裝置尺寸為長2.95 m×高3.06 m×厚0.2 m. 主要包括了頂部加載系統(tǒng)、回采系統(tǒng)及測試系統(tǒng)。

加載系統(tǒng)采用氣囊柔性加載系統(tǒng)，以靜載荷、均勻面力的形式進(jìn)行加載。按照開采深度計(jì)算得出加載氣壓值為0.071 90 MPa. 考慮模型量測槽鋼的彈性夾持力所產(chǎn)生的摩擦阻力，取1.2的摩擦系數(shù)，則氣囊的實(shí)際充氣壓力是0.086 28 MPa. 模型側(cè)向沒有配備單獨(dú)的側(cè)向加載系統(tǒng)，通過槽鋼和有機(jī)玻璃板產(chǎn)生側(cè)向約束，使模型處于三向受壓狀態(tài)。

測試系統(tǒng)采用TST3826-2型靜態(tài)應(yīng)變測試分析儀分析復(fù)采工作面前方支承壓力的分布情況及隨工作面推進(jìn)，過煤柱、空區(qū)時(shí)，工作面煤柱、頂煤及頂板的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的變化特征；可通過安設(shè)在液壓支架供液回路上的壓力傳感器，研究支架在煤柱、空區(qū)下的受力特征。

2.2.2相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論

當(dāng)工作面推進(jìn)到空巷附近回采空巷巷旁煤柱時(shí)，由于工作面前方舊采空巷巷寬較窄，受煤柱上方應(yīng)力集中引起的支撐壓力的影響，煤柱壓縮變形，影響回采工作面通過空巷。工作面前方煤壁變形破壞規(guī)律基本形同實(shí)體煤。

當(dāng)工作面前方將通過采空區(qū)時(shí)，由于復(fù)采前采空區(qū)跨度較大，其上方頂煤及頂板形成類似于固支梁結(jié)構(gòu)，上覆巖層為拱形承載結(jié)構(gòu)。隨著工作面的臨近，工作面前方采空區(qū)煤壁、舊采空區(qū)及靠近復(fù)采工作面的遺留煤柱、復(fù)采工作面后方垮落區(qū)，將逐漸形成“工作面前方實(shí)體煤區(qū)-復(fù)采工作面后方垮落區(qū)-上覆關(guān)鍵層”大結(jié)構(gòu)下的“變形煤柱-支架”小結(jié)構(gòu)。支架“控頂距”增大，支架載荷略大于實(shí)體煤情況，見圖4.

圖4 回采煤柱已破壞圖

3 注漿試驗(yàn)方案

3.1 采前非完全充填

根據(jù)研究結(jié)果，采用采前非完全注漿充填方式，充填復(fù)采工作面內(nèi)的空巷、空區(qū)及冒落區(qū)，充填后形成一定厚度的截割層和充填承載層，充填承載層以上空間不充填，見圖5. 截割層為復(fù)采工作面采高2 m，充填承載層確定為4.5 m.

3.2 注漿方式

由于超高水材料凝結(jié)時(shí)間較短、冒落煤巖體的裂隙大小不均勻，漿液很難流動充分，不可能實(shí)現(xiàn)一次性充填好整個(gè)承載層和截割層。而且截割層強(qiáng)度要求低，只要保證煤壁基本完整即可，承載層相對截割層強(qiáng)度要求高。因此，采用分層遞進(jìn)多輪注漿方式，見圖6，將充填空間分為上下兩層，第1層為充填承載層，注漿孔終孔高度定為7 m左右，漿液水灰比為6∶1；第2層為截割層，注漿孔終孔高度定為2 m左右，漿液水灰比為7∶1. 同時(shí)，因1301復(fù)采工作面存在多條空巷，從1202巷注漿需要由近及遠(yuǎn)依次遞進(jìn)充填各條空巷，即先通過短注漿孔充填最近的空巷，再通過長注漿孔充填稍遠(yuǎn)的空巷，通過分層遞進(jìn)多輪注漿方式，實(shí)現(xiàn)煤壁穩(wěn)定和人工假頂完整，確保工作面順利通過舊采空巷冒落區(qū)。

圖6 分層注漿方式圖

3.3 注漿效果

注漿效果檢測包括擴(kuò)散范圍檢測、漿液滲透情況檢測和注漿前后被注體強(qiáng)度檢測等。采用的手段包括現(xiàn)場揭露觀察、窺視孔觀察和鉆取注漿結(jié)石體進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)等。煤壁注漿擴(kuò)散效果見圖7.

3.4 觀測儀器及監(jiān)測結(jié)果分析

測定離層的系統(tǒng)包括深基(8 m)、淺基(3 m)兩個(gè)錨爪，傳感器，分站。其工作原理是：將深基、淺基兩個(gè)錨爪固定于頂板鉆孔的兩個(gè)位置。頂板發(fā)生離層會引起兩個(gè)錨爪相對位置的變化，通過錨爪相對的變化來確定離層量，頂板離層儀現(xiàn)場布置圖見圖8.

激光測距儀包括激光發(fā)射器、分站。工作原理是：順槽兩幫的變化會引起激光束的變化，激光束的變化會通過發(fā)射器顯示在分站上。1號離層測點(diǎn)和2號離層測點(diǎn)布置在回風(fēng)順槽中，分別距切眼30 m和79 m；3號離層測點(diǎn)布置在運(yùn)輸順槽中，距切眼34 m，從而測量出兩幫移近量。觀測結(jié)果見圖9.

圖7 煤壁注漿擴(kuò)散效果圖

圖8 離層儀布置圖

監(jiān)測結(jié)果顯示：3#煤空巷、煤柱面在工作面采動影響下頂板淺基點(diǎn)下沉變形，變形量不足8 mm，位于巷道頂板8 m處頂板深基點(diǎn)未發(fā)生頂板離層；根據(jù)兩幫移近量觀測，巷道變形量很小，說明注漿加固技術(shù)能夠使巷道滿足要求。

1) 對圣華煤業(yè)3#煤復(fù)采煤層首采工作面進(jìn)行了平面相似模擬實(shí)驗(yàn)，當(dāng)工作面推進(jìn)到空巷附近回采空巷巷旁煤柱時(shí)，由于工作面前方舊采空巷巷寬較窄，煤柱上方應(yīng)力集中引起支撐壓力明顯，影響回采工作面通過空巷，進(jìn)一步采用分層遞進(jìn)多輪注漿方式，實(shí)現(xiàn)煤壁穩(wěn)定和空巷區(qū)域完整，確保了工作面順利通過舊采空巷、煤柱區(qū)域。

圖9 離層量變化曲線圖

4 結(jié) 論

2) 工業(yè)性試驗(yàn)期間，工作面累計(jì)推進(jìn)110 m，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)原煤5.6萬t，工作面資源回收率達(dá)到81.1%，實(shí)現(xiàn)利潤308萬元，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)利益較大化。