西曲礦厚煤層綜采面過(guò)空巷技術(shù)實(shí)踐

閆騰騰

(西山煤電股份公司 西曲礦，山西 古交 030200)

受小煤礦無(wú)序開(kāi)采、工作面設(shè)計(jì)方案改變等因素的影響，工作面回采過(guò)程中會(huì)遇到一些廢棄的巷道，受開(kāi)采活動(dòng)影響，空巷頂板遭到破壞，圍巖變形，嚴(yán)重影響著工作面安全高效生產(chǎn)[1-2]。目前，工作面過(guò)空巷時(shí)，空巷的控制手段主要為木垛支護(hù)、錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)、充填支護(hù)3種。選擇合理的空巷支護(hù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工作面安全開(kāi)采、提高工作面經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。本文以西曲礦12313工作面開(kāi)采技術(shù)條件為背景，分析研究空巷不同控制方式下巷道圍巖變形特征，進(jìn)而確定空巷控制手段，為工作面安全高效過(guò)空巷提供技術(shù)保障。

1 工程地質(zhì)概況

西曲礦12313工作面位于南三盤(pán)區(qū)東北部，西北部為已回采的12314工作面，西南部為已回采的12309工作面，東南部為設(shè)計(jì)中的12312工作面，東北部為西1072運(yùn)輸大巷。工作面推進(jìn)長(zhǎng)度680 m，寬度220 m，采用長(zhǎng)壁后退式全部垮落法一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法。工作面煤層厚度3.91～4.62 m，平均4.22 m，煤層傾角1～4°，平均2°，埋深約484.6 m，煤層普氏系數(shù)為1.5，屬于穩(wěn)定性煤層。12313工作面回采期間將穿過(guò)廢棄的10122運(yùn)輸巷道，斜交穿過(guò)長(zhǎng)度約260 m，如圖1中所示。該廢棄巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面，U型棚支護(hù)，沿煤層頂板掘進(jìn)，原設(shè)計(jì)凈斷面為高×寬=2.4 m×4.2 m，凈斷面面積為10.08 m2。

2 工作面過(guò)空巷支護(hù)控制方式確定

考慮到12313工作面過(guò)廢棄空巷時(shí)，工作面采動(dòng)作用易造成巷道頂板破斷等現(xiàn)象，因此，決定對(duì)該廢棄空巷進(jìn)行支護(hù)控制。目前常采用的過(guò)空巷方法主要是木垛支護(hù)、錨桿支護(hù)和高水材料充填支護(hù)三種過(guò)空巷方式[3-4]。

圖1 12313工作面巷道布置平面

本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)比分析3支護(hù)方式下，12313工作面推進(jìn)至空巷過(guò)程中空巷圍巖變形破壞規(guī)律，以確定選用合適的空巷支護(hù)方式。模型尺寸為X×Y×Z=500 m×280 m×100 m，采用莫爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，模型中各巖層傾角為2°，其中底板模擬厚度20 m，煤層模擬厚度4.2 m，頂板模擬厚度75.8 m；模型頂部采用應(yīng)力邊界約束，施加垂直應(yīng)力10.12 MPa以模擬工作面埋深484.6 m，模型左右兩側(cè)、前后兩側(cè)以及底邊均采取位移邊界約束；模型中空巷斷面形狀為矩形，模擬尺寸為：高×寬=2.4 m×4.2 m，沿煤層頂板掘進(jìn)；模型左右兩側(cè)和前后兩側(cè)各留設(shè)30 m寬度做為保護(hù)煤柱。每次開(kāi)挖10 m，在距離空巷100m處每間隔10 m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)空巷頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中，模擬3種支護(hù)方式時(shí)，木垛支護(hù)采用1.0 m×0.2 m×0.2 m方木支設(shè)，三花布置；錨桿支護(hù)采用D18.9 mm×2 200 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；充填支護(hù)設(shè)計(jì)充填體的密度為1 800 kg/m3，彈性模量為2.6 GPa，泊松比0.18，粘結(jié)力2.6 MPa。

圖2為3種支護(hù)方式下工作面推進(jìn)距離空巷20 m時(shí)空巷圍巖塑性區(qū)分布情況。

圖2 3種控制方式下空巷塑性區(qū)分布特征

由圖2可知，當(dāng)空巷采用木垛支護(hù)時(shí)，空巷圍巖塑性區(qū)較大，顯現(xiàn)出淺部圍巖以拉張破壞為主，深部以剪切破壞為主的分布特征；當(dāng)空巷采用錨桿支護(hù)時(shí)，空巷圍巖塑性區(qū)范圍較木垛支護(hù)時(shí)小，說(shuō)明錨桿支護(hù)優(yōu)于木垛支護(hù)，但當(dāng)工作面割過(guò)空巷時(shí)，支架無(wú)法及時(shí)移至煤壁，增加了端面控頂距，仍存在片幫、冒頂?shù)葐?wèn)題；當(dāng)空巷采用充填控制時(shí)，空巷周?chē)闯霈F(xiàn)塑性變形，空巷控制效果明顯，使原來(lái)空巷掘進(jìn)引起的周?chē)鷳?yīng)力變化降到了最低。

圖3為3種支護(hù)方式下，工作面空巷的頂板下沉量、底鼓量和兩幫移進(jìn)量的變化曲線。

圖3 3種控制方式下空巷圍巖變形特征

由圖3可知，空巷分別采用木垛支護(hù)、錨桿支護(hù)和充填控制時(shí)，巷道頂?shù)装逡平糠謩e為248.5 mm、168.2 mm和95.6 mm，兩幫移近量為239.4 mm、163.4 mm和88.4 mm，空巷充填控制時(shí)巷道變形程度小，控制效果最理想，巷道得到有效控制；同時(shí)，空巷充填控制時(shí)，工作面過(guò)空巷時(shí)發(fā)生片幫和冒頂風(fēng)險(xiǎn)大大降低，可安全快速過(guò)空巷。

綜上所述，選擇高水材料充填空巷的方式過(guò)12313工作面空巷。

3 空巷充填控制技術(shù)

3.1 空巷充填施工方案設(shè)計(jì)

為保證12313工作面安全開(kāi)采，采用空巷充填控制手段時(shí)，充填體需具備以下特點(diǎn)：①充填體能快速接頂；②充填體可以有較大的塑性變形而不喪失承載能力；③充填速度快，充填時(shí)間短。

現(xiàn)場(chǎng)勘探可知，空巷(10122運(yùn)輸巷)長(zhǎng)度約260 m，采用分段充填方式對(duì)此空巷進(jìn)行充填。以30～50 m為1段依次分段充填，充填段起止兩側(cè)打設(shè)止?jié){墻以防止充填漿液流動(dòng)，保證空巷充填密實(shí)，其中，止?jié){墻由木立柱釘上木板組合施工，并伸入兩側(cè)煤幫各約200 mm?？障锓侄纬涮畈贾梅桨溉鐖D4(a)所示。

圖4 充填空巷施工示意

為保證空巷充填密實(shí)，在施工巷道內(nèi)布置2～3路漿液混合管，綁定在分段巷道頂板處，如圖4(b)所示。

3.2 充填系統(tǒng)、工藝與設(shè)備

1) 充填系統(tǒng)。高水充填材料分甲料、乙料兩種，配比1∶1，甲料、乙料單獨(dú)攪拌，混合后能快速凝固。充填系統(tǒng)主要包括攪拌桶、混合泵、備用泵、出漿管、混料器等，其中，攪拌桶主要用來(lái)攪拌甲料、乙料漿液，混合泵對(duì)兩種漿液進(jìn)行混合加壓，由出漿管高壓輸送充填漿液至充填點(diǎn)[5]。如圖5。

圖5 注漿設(shè)備配置示意

2) 充填工藝。高水材料充填工藝如圖6所示。

圖6 充填工藝流程示意

充填時(shí)每個(gè)攪拌桶每加入1袋甲(乙)料，同時(shí)加入1袋乙(甲)料。注意在加料攪拌時(shí)，先加水至攪拌桶三分之二的位置，然后先加入甲(乙)料，再放入乙(甲)料，使添加劑溶解充分后，再加水至攪拌桶的上邊沿，注意不能將水灑出。

3) 充填設(shè)備。充填所需設(shè)備見(jiàn)表1所示。

表1 充填設(shè)備

空巷(10122運(yùn)輸巷)充填體積約為2 800 m3，在10∶1水灰比條件下，每噸高水充填材料可充填約10 m3空間，考慮一定的損耗，需要高水充填材料約290 t。

4 工作面過(guò)空巷效果觀測(cè)

在工作面推過(guò)空巷的過(guò)程中，采煤機(jī)能夠順利切割充填體，充填體具有較好的承載能力，空巷未出現(xiàn)片幫和冒頂現(xiàn)象，如圖7所示。

圖7 液壓支架上方高水材充填體

圖8 距離空巷不同距離工作面支架壓力

對(duì)12313工作面支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖8所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，工作面推過(guò)空巷整個(gè)過(guò)程中，支架工作阻力平均約為20.3 MPa；當(dāng)工作面距空巷約為3.2 m時(shí)，工作面液壓支架工作阻力開(kāi)始增加，最大約為21.1 MPa，增幅3.5%；當(dāng)工作面經(jīng)過(guò)空巷后，支架工作阻力又恢復(fù)到正常值；整個(gè)過(guò)程中，支架工作阻力變化波動(dòng)程度較小，表明空巷充填控制效果較好，能夠保證工作面安全推過(guò)空巷。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 模擬結(jié)果顯示，當(dāng)空巷采用充填控制、工作面推進(jìn)至空巷時(shí)，巷道頂?shù)装逡平繛?5.6 mm，兩幫移近量為88.4 mm，巷道周?chē)緵](méi)有發(fā)生塑性破壞，是工作面過(guò)空巷支護(hù)控制最佳手段。

2) 設(shè)計(jì)了合理的空巷高水材料充填控制方案和工藝系統(tǒng)，在12313工作面進(jìn)行了高水材料充填空巷試驗(yàn)，結(jié)果表明工作面采用充填過(guò)空巷控制手段時(shí)，空巷沒(méi)有出現(xiàn)片幫、冒頂現(xiàn)象，工作面支架平均工作阻力在20.3 MPa左右，最大達(dá)到21.1 MPa，增加幅度僅3.5%，充填空巷控制效果較好，工作面能夠快速安全通過(guò)空巷。