新元煤礦沿空留巷安全開采技術(shù)實(shí)踐

李建光

(陽煤集團(tuán)山西寧武榆樹坡煤業(yè)有限公司)

對于開采吸附性強(qiáng)、瓦斯含量大煤層的高瓦斯或突出礦井而言，一般采用先抽后采、邊采邊抽的瓦斯治理措施，然而開采致密、裂隙不發(fā)育煤層時(shí)，采動(dòng)之前難以抽采瓦斯，采前預(yù)抽及U型通風(fēng)不能有效解決隅角瓦斯積聚問題[1-3]。陽煤集團(tuán)新元煤礦為煤與瓦斯突出礦井，目前主采3#煤層。生產(chǎn)期間為了解決掘進(jìn)和瓦斯問題，原回采工作面一直采用“兩進(jìn)兩回”的“U+L”通風(fēng)系統(tǒng)，巷道之間的煤柱寬20 m，多條巷道布置造成區(qū)段煤柱損失嚴(yán)重，采出率低，且煤與瓦斯突出煤層掘進(jìn)速度慢，采掘接替緊張[4]。因此，以新元煤礦3107工作面為工程背景，采用高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)，對實(shí)現(xiàn)工作面Y型通風(fēng)，避免隅角瓦斯超限和采空區(qū)通風(fēng)問題及保證礦井接替、降低開采成本等具有重要的意義。

1 工程概況

3107工作面回采3#煤層，煤層傾角平均為5°，平均厚2.6 m。煤層偽頂為厚0.3 m高嶺石泥巖，直接頂為6.45 m厚砂質(zhì)泥巖，老頂為5.7 m厚中粒砂巖，直接底為4.5 m厚砂質(zhì)泥巖，老底為18.95 m中粒砂巖，局部含粉炭質(zhì)條帶，3107工作面布置見圖1。

李建光(1974—)，男，董事長，工程師，036000 山西省寧武縣。

圖1 3107工作面布置

3107工作面回風(fēng)巷道設(shè)計(jì)斷面為4.8 m×3.0 m(寬×高)，頂部采用錨網(wǎng)梁+錨索矩形斷面支護(hù)，頂錨桿采用φ22 mm×2 200 mm左旋無縱筋(KMG500)讓壓錨桿；幫錨桿采用φ20 mm×2 000 mm 等強(qiáng)錨桿，錨桿排距為700 mm；錨索采用φ22 mm×7 500 mm低松弛鋼絞線，錨索間距為1.5 m，排距為1.4 m，即錨索梁按照“3-0-3-0”方式施工，幫錨桿上鋼筋鋼帶加掛金屬網(wǎng)。巷道在沒有經(jīng)受工作面超前壓力之前變形量較小，但隨著時(shí)間的推移，巷道變形逐漸加大，導(dǎo)致部分區(qū)域巷道頂?shù)装鍘捉]合，兩幫移近量也非常大，因此，巷道在留巷之前需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)處理。

2 巷旁支護(hù)寬度的確定

根據(jù)3107工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件、鄰近工作面開采情況、巖性和以往的巖層力學(xué)參數(shù)考慮，具體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)初步取值如下：煤層開采厚2.8 m，工作面長240 m，周期來壓步距為20 m，巷道最大埋深為550 m，基本頂平均厚2.5 m，直接頂平均厚5.66 m，留巷后巷道寬5.2 m，充填體寬2 m，上覆巖層容重為25 kN/m3，應(yīng)力集中系數(shù)為2.0，基本頂巖層抗拉強(qiáng)度為8 MPa，側(cè)壓系數(shù)為0.4，煤層黏聚力為1.5 MPa，內(nèi)摩擦角為25°，煤幫采用錨桿支護(hù)，其支護(hù)阻力按0.15 MPa考慮，煤層傾角按平均4°考慮。利用上述參數(shù)計(jì)算得到3107工作面回風(fēng)巷充填體的切頂阻力為12.83 MN/m。現(xiàn)場施工時(shí)，充填體平均強(qiáng)度按8 MPa考慮，則所需的充填體寬度理論計(jì)算值為1.61 m。根據(jù)3107工作面回風(fēng)巷頂板巖層情況、公式計(jì)算和以往的工程實(shí)踐，考慮安全系數(shù)、充填體完全置于采空區(qū)，當(dāng)采高不超過3 m時(shí)，初步設(shè)計(jì)確定巷旁支護(hù)體寬度為2 m。

3 高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)

3107工作面回風(fēng)巷充填時(shí)間較緊，因此，不適合采用全袋式充填和混合式充填方法，經(jīng)比較分析，最終確定采用分段阻隔注漿充填方法[5-7]。

3.1 充填工藝

綜合考慮井下施工條件、工作面超前支承應(yīng)力的作用效果、漿液固結(jié)強(qiáng)度及材料消耗等因素，確定充填材料的水灰比為4∶1，初凝時(shí)間≤30 min，充填體終強(qiáng)1.46 MPa，7 d強(qiáng)度為終強(qiáng)的90%，充填寬2 m。3107工作面回風(fēng)巷充填基本工藝流程見圖2，包括砌筑止?jié){墻，管路安放，配料制漿，泵送充填，帶壓充填。水灰比直接影響空巷充填材料的強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間，現(xiàn)場施工時(shí)需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求加水。根據(jù)確定的水灰比4∶1，向攪拌桶內(nèi)加入750 kg水；加水后，向1#攪拌桶加入150 kg甲料(3袋)，向3#攪拌桶加入150 kg乙料(3袋)，當(dāng)1#、3#攪拌桶給充填泵供料漿時(shí)，2#、4#攪拌桶加水、上料，準(zhǔn)備攪拌，在添加空巷充填材料的同時(shí)，啟動(dòng)攪拌機(jī)，漿液攪拌均勻一般需要5 min；最后注漿充填并監(jiān)控充填情況。

圖2 工作面巷旁充填工藝流程

3.2 泵站準(zhǔn)備

充填泵站要求有適當(dāng)?shù)牟僮骱痛媪峡臻g。現(xiàn)場施工時(shí)，合理的泵站設(shè)置有利于提高充填效率。泵站應(yīng)盡可能固定于一個(gè)位置，減少泵站移動(dòng)次數(shù)及輔助運(yùn)輸量。根據(jù)以上原則，建議將泵站布置在輔助進(jìn)風(fēng)順槽內(nèi)。具體要求如下：配備1臺(tái)雙液充填泵，4臺(tái)攪拌桶(甲料、乙料各配2臺(tái)攪拌桶)、5個(gè)電磁啟動(dòng)器(泵1臺(tái)，4臺(tái)攪拌桶對應(yīng)4臺(tái))，攪拌桶附近布置料場，充填泵及攪拌機(jī)等設(shè)備水平擺放；泵站堆料平臺(tái)應(yīng)能放置2 d使用的注漿材料(約100 t)；泵站點(diǎn)設(shè)置3路供水管，其中2路直徑為32 mm，用于攪拌桶加水，供水能力不低于20 m3/h，且有單獨(dú)的控制開關(guān)，保證注漿工作連續(xù)進(jìn)行,另一路用于注漿泵降溫，管徑為19 mm；靠近幫部挖掘沉淀池，規(guī)格為500 mm×500 mm，沉淀池內(nèi)的廢水泵送至排水管內(nèi)。

3.3 勞動(dòng)組織

沿空留巷后工作面推進(jìn)不會(huì)超過8 m/d，一天充填2班，每次充填長度為3～4 m，具體充填長度由工作面推進(jìn)長度決定。充填作業(yè)安排見表1。

表1充填作業(yè)安排

4 加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

4.1 回風(fēng)巷加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

由于留巷時(shí)間較長，為防止頂板離層，留巷斷面收縮過大，將原有的“3-0-3-0”的錨索支護(hù)形式變成“3-1-3-1”的錨索支護(hù)形式，即在原施工的2排錨索中間再施工一排錨索梁(每排1根錨索)，錨索規(guī)格為φ22 mm×7 500 mm。每根錨索在鋼帶外再安裝大托盤，預(yù)緊力不低于100 kN。非采煤側(cè)巷幫在幫角處距底板300mm處補(bǔ)打一根φ20 mm×2 400 mm錨桿；在煤柱側(cè)巷幫每2排錨桿補(bǔ)打一排錨索，每排2根，第一根距頂板800 mm，仰角為10°，第二根距頂板2 200 mm，錨索規(guī)格為φ22 mm×7 500 mm?；仫L(fēng)巷加強(qiáng)支護(hù)見圖3。

圖3 回風(fēng)巷加強(qiáng)支護(hù)示意(單位：mm)

4.2 充填區(qū)域上方頂板支護(hù)技術(shù)

為了保持充填區(qū)域范圍內(nèi)的頂板完整性，在充填區(qū)上方每割1刀煤補(bǔ)打1排800 mm×800 mm錨桿，每2排錨桿間加打2根φ21.6 mm×6 300 mm錨索，錨索距巷中距離分別為3 500，4 700 mm，頂板錨桿采用φ20 mm×2 400 mm左旋無縱筋錨桿。支護(hù)布置見圖4。

5 沿空留巷Y型通風(fēng)方式

3107工作面回風(fēng)巷采用沿空留巷后可實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)[8]， 由現(xiàn)在的進(jìn)風(fēng)巷作為主要新鮮風(fēng)流進(jìn)風(fēng)、現(xiàn)在的回風(fēng)巷作為配風(fēng)巷進(jìn)部分新鮮風(fēng)，經(jīng)工作面后的污風(fēng)通過沿空留巷保留下來的巷道經(jīng)聯(lián)絡(luò)巷與3107尾巷溝通，形成Y型通風(fēng)系統(tǒng)，再輔以其它措施治理瓦斯，可以從根本上解決高瓦斯采煤工作面上隅角瓦斯積聚和超限的難題。

圖4 充填區(qū)域上方頂板支護(hù)示意(單位：mm)

由于3107工作面底板較軟，屬軟弱圍巖，沿空留巷后，受側(cè)向支承應(yīng)力強(qiáng)烈作用，沿空留巷后底鼓量大，全長留巷通風(fēng)可能保證不了通風(fēng)斷面。因此，決定采用Y型通風(fēng)方式為離工作面后方最近的2個(gè)聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行回風(fēng)，即到下一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷時(shí)，打開前一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷、封閉最后邊一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行通風(fēng)，見圖5。

圖5 全長留巷時(shí)Y型通風(fēng)方式示意

6 礦壓觀測

為了觀測3107回風(fēng)巷支護(hù)參數(shù)的合理性，在巷道中每20～30 m設(shè)一個(gè)測站進(jìn)行觀測，巷道表面收斂規(guī)律的測點(diǎn)布置一般采用十字布點(diǎn)法，觀測結(jié)果見圖6[9-11]?？芍?，工作面后方0～120 m為留巷采動(dòng)影響階段，巷道頂?shù)装謇塾?jì)變形量最大為1 035 mm，且主要以頂板下沉為主，兩幫累計(jì)最大變形量為1 931 mm，以實(shí)體煤幫變形為主。工作面后方130～240 m巷道斷面累計(jì)變形量最大，平均寬3 299 mm，最大寬3 714 mm，最小寬3 007 mm，兩幫移近量在1 086～1 793 mm，以實(shí)體煤變形為主；巷道平均高2153mm，最大高度為2 667 mm，最小高度為1 847 mm，頂?shù)装遄冃我皂敯鍎×蚁鲁翞橹鳎鲁亮吭?33～1 153 mm。此階段巷道斷面收斂率遠(yuǎn)大于工作面后方240～280 m留巷變形穩(wěn)定階段，最終頂?shù)装遄冃瘟勘３衷? 000～1 200 mm，能滿足巷道在回采期間的通風(fēng)要求。

7 結(jié) 論

(1)根據(jù)3107工作面回風(fēng)巷頂板巖層情況、公式計(jì)算和以往的工程實(shí)踐，采用高水材料巷旁充填技術(shù),確定巷旁支護(hù)體寬2 m。采用錨桿、錨索加固充填區(qū)域頂板，保持充填區(qū)域范圍內(nèi)的頂板完整性。

圖6 頂?shù)装?、兩幫移近量與工作面距離關(guān)系

(2)3107工作面回風(fēng)巷采用沿空留巷后可實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)，輔以其它措施治理瓦斯，可以從根本上解決高瓦斯采煤工作面上隅角瓦斯積聚和超限的難題。

(3)根據(jù)礦壓觀測結(jié)果，在工作面240～280 m，巷道圍巖移近量逐漸變緩，最終頂?shù)装遄冃瘟勘３衷?.0～1.2 m，基本滿足巷道在回采期間的通風(fēng)要求。