烏蘭木倫煤礦綜采面過空巷泵送支柱支護(hù)技術(shù)研究

張國恩，趙建明，胡 江，劉虎生

(1.國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 烏蘭木倫煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017205； 2.鄂爾多斯市煤炭局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

烏蘭木倫煤礦12煤五盤區(qū)共布置5個(gè)工作面，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度相對(duì)較短，基本在1080m左右，工作面輔助回撤通道距12404主運(yùn)巷113m，為提高盤區(qū)煤炭資源回收率，減少煤炭資源浪費(fèi)，決定在工作面輔助回撤通道與12404主運(yùn)巷之間布置綜采工作面，將輔助回撤通道作為回風(fēng)巷，12404主運(yùn)巷作為進(jìn)風(fēng)巷。綜采工作面回采將面臨的困難是需要過9條空巷，其中，8條平行于工作面，1條垂直于工作面。國內(nèi)外綜采工作面過單獨(dú)空巷或遠(yuǎn)距離多條空巷時(shí)通常采用工作面調(diào)斜推進(jìn)[1，2]，首先使部分工作面先揭露空巷，然后工作面的余下部分再揭露空巷，避免工作面一次性全斷面揭露空巷。而烏蘭木倫煤礦工作面存在多條近距離平行于工作面的空巷，不具備調(diào)斜推進(jìn)過空巷的條件，必須采取補(bǔ)強(qiáng)空巷支護(hù)強(qiáng)度，從而使工作面順利通過空巷。本文研究采用綜采面過空巷泵送支柱支護(hù)技術(shù)，并確定過空巷時(shí)泵送支柱的支護(hù)方式、支護(hù)強(qiáng)度、支柱直徑等，分析支護(hù)材料性能，并制定支護(hù)工藝，最終確定支護(hù)方案。

1 煤柱回收方案

為提高煤炭回收率，減少資源浪費(fèi)，計(jì)劃回收12501、12502和12503輔助回撤通道煤柱，回采煤量25萬t[3]。12502和12503輔助回撤通道煤柱計(jì)劃布置綜采面回收，與12404綜采面形成刀把型工作面進(jìn)行回采，即12404-1面。具體巷道布置方式如下：

將12404主運(yùn)巷帶式運(yùn)輸機(jī)延伸，作為12404-1綜采面的主要運(yùn)輸巷；將12502回風(fēng)巷113m擴(kuò)幫改造為12404-1切眼，原巷道5m寬，擴(kuò)至7.5m；由于12502和12503輔助回撤通道不在一條線上，相差1.7m，所以將12503輔助回撤通道采空區(qū)側(cè)擴(kuò)幫1.4m，共323m，用作綜采面的回風(fēng)巷，即12404-1回風(fēng)巷，如圖1所示。12404-1綜采面工作面長(zhǎng)度113m，推進(jìn)長(zhǎng)度542.5m，過空巷1432m，推進(jìn)至原12404-2切眼處加面。

圖1 12404-1綜采面巷道布置圖(m)

巷道揭露煤層厚度2.2～2.8m，平均2.6m。已有巷道未揭露斷層等地質(zhì)構(gòu)造[4]。煤層直接頂巖性為中細(xì)砂巖，厚度1.6～4.5m，老頂巖性以中粗砂巖為主，厚度4.4～11.4m。上覆基巖厚度115～135m，松散層厚度10～15m，松散層不含水。工作面回采后有少量基巖孔隙裂隙水進(jìn)入工作面，根據(jù)該區(qū)域已回采工作面預(yù)計(jì)本工作面正常涌水量10m3/h，最大涌水量30m3/h。

2 確定過空巷支護(hù)材料

2.1 確定支護(hù)強(qiáng)度

根據(jù)《礦山壓力與巖層控制》中對(duì)頂板壓力的估算方法[5]，按照8倍采高的上覆巖層重量進(jìn)行估算。

P=9.8×h×m×r

(1)

式中，P為支護(hù)強(qiáng)度，MPa；h為支護(hù)強(qiáng)度系數(shù)，取8；m為工作面采高，取2.8～3.2；r為頂板巖層容重，取2.55kN/m3。

經(jīng)計(jì)算得到最大頂板壓力估算值為0.612MPa。

2.2 確定支護(hù)材料

根據(jù)常用礦山支護(hù)材料篩選出4種材料作為支護(hù)空巷備選材料[6]，分別為：道木、錨索、單體支柱、泵送支柱，每種支護(hù)材料都有適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)分別描述每一種支護(hù)材料的支護(hù)形式與其優(yōu)缺點(diǎn)。

1)道木：將數(shù)根道木堆積打設(shè)成道木垛進(jìn)行支護(hù)空巷。優(yōu)點(diǎn)：過空巷時(shí)，由于超前支承壓力作用，頂板發(fā)生下沉變形，道木屬于可變性量大的支護(hù)材料，能夠在頂板下沉?xí)r，給與頂板讓壓變形，能夠釋放部分支承壓力，進(jìn)而能夠很好地保證空巷的穩(wěn)定性，不會(huì)發(fā)生冒頂事故。缺點(diǎn)：過空巷時(shí)，道木垛無法回收，采煤機(jī)割煤時(shí)，木材進(jìn)入原煤，同時(shí)采煤機(jī)切割道木時(shí)，道木垛會(huì)發(fā)生坍塌。從而空巷內(nèi)支柱道木垛會(huì)影響煤質(zhì)，更無法保證道木垛支撐的穩(wěn)定性。

2)錨索：錨索支護(hù)空巷頂板。優(yōu)點(diǎn)：錨索支護(hù)成本低，支護(hù)強(qiáng)度高，施工速度快。缺點(diǎn)：目前烏蘭木倫煤礦使用最長(zhǎng)錨索為8m，8m錨索正好為頂板垮落高度，因此選用8m錨索可能會(huì)在過空巷時(shí)發(fā)生冒頂事故，若選用更長(zhǎng)的錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索轉(zhuǎn)機(jī)扭矩不足，無法施工深孔。

3)單體液壓支柱：?jiǎn)误w支護(hù)空巷頂板。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)误w支柱支護(hù)空巷速度快，單體能夠泄液回縮，起到讓壓作用，支護(hù)強(qiáng)度較高。缺點(diǎn)：打設(shè)空巷單體支柱無動(dòng)力源，需要安設(shè)一臺(tái)臨時(shí)泵站。過空巷時(shí)，單體回收困難，人工回收存在較大風(fēng)險(xiǎn)。單體內(nèi)的乳化液對(duì)井下水質(zhì)影響較大，不利于環(huán)保。

4)泵送支柱：泵送支柱支護(hù)空巷頂板。優(yōu)點(diǎn)：泵送支柱支護(hù)強(qiáng)度高，具有一定變形量，采煤機(jī)較容易切割，不用回收支護(hù)材料。缺點(diǎn)：空巷支護(hù)費(fèi)用高，泵送支柱材料進(jìn)入原煤影響煤質(zhì)。

根據(jù)以上四種支柱材料的優(yōu)缺點(diǎn)以及考慮過空巷的安全型，綜合考慮選擇“泵送支柱+補(bǔ)強(qiáng)錨索”聯(lián)合支護(hù)作為過空巷支護(hù)方式。

3 確定空巷支護(hù)方案

3.1 支護(hù)方式

空巷長(zhǎng)度共計(jì)1432m。其中正常段979m，超高超寬段453m；平行于工作面空巷853m，垂直空巷579m。過空巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式如下。

3.1.1 巷道段支護(hù)方式

巷道寬度5m，高度2.9～3.2m。平行巷道采用“Φ22.4mm×8000mm錨索+4.6mW鋼帶+泵送支柱”支護(hù)方式，垂直巷道采用“Φ22.4mm×8000mm錨索+4.6mW鋼帶”支護(hù)方式。每排布置3根錨索，排距1.5m。泵送支柱直徑700mm，巷道中部區(qū)域間排距2.5m×2.5m。正常情況下兩端頭區(qū)域25m范圍內(nèi)打設(shè)一排支柱，間距3m；兩端頭25m范圍內(nèi)有聯(lián)巷的區(qū)域，聯(lián)巷靠端頭側(cè)打設(shè)3排支柱，參數(shù)與中部區(qū)域一樣，聯(lián)巷內(nèi)部距離巷幫1m處在中間打設(shè)一根支柱。

3.1.2 機(jī)頭段支護(hù)方式

1)機(jī)頭硐室寬度6.1m，平均高度4.5m。巷道超高段采用“Φ22.4mm×8000mm錨索+11#工字鋼+雙層鋼筋網(wǎng)做假頂”支護(hù)方式，每排布置3根吊掛錨索，排距0.5m，假頂用道木進(jìn)行充填。巷道下部3.2m采用泵送支柱支護(hù)方式，泵送支柱支護(hù)直徑Φ700mm，中部區(qū)域間排距3m×2.5m；兩端頭區(qū)域泵送支柱呈三花布置，兩端頭25m范圍內(nèi)有聯(lián)巷的區(qū)域，聯(lián)巷靠端頭側(cè)打設(shè)3排支柱，參數(shù)與中部區(qū)域一樣，聯(lián)巷內(nèi)部距離巷幫1m處在中間打設(shè)一根支柱；兩端頭25m范圍內(nèi)有三角煤柱或交叉點(diǎn)區(qū)域面積較大的，按照中部區(qū)域支柱參數(shù)進(jìn)行打設(shè)。

2)在原有錨索支護(hù)基礎(chǔ)上，按照4根“1.5m錨索+3.6m和2.3m的W鋼帶”補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

3.1.3 切眼支護(hù)方式

切眼采用“Φ22.4mm×8000mm錨索+5m長(zhǎng)的W鋼帶+泵送支柱”支護(hù)方式。泵送支柱直徑700mm，間排距2.5m×2.5m，兩端頭區(qū)域25m范圍內(nèi)間距3m，呈五花布置，每個(gè)調(diào)車硐室口部施工1根支柱。在原有錨索支護(hù)基礎(chǔ)上平行于切眼方向補(bǔ)打兩排錨索，錨索間排距2.2m。

1)12501繞道1平行于工作面段：在12501繞道1拐角處，斷面變大應(yīng)力集中位置設(shè)計(jì)5個(gè)泵送支柱[6]，其他區(qū)域不施工支柱。12501繞道1支護(hù)方式如圖2所示。

圖2 12501繞道1支護(hù)方式示意圖

2)12502繞道1、2：設(shè)計(jì)2排泵送支柱，間排距為2.5m，選取Φ700mm支柱，正幫側(cè)距支柱中心間距為1.25m，副幫側(cè)距支柱中心間距為1.25m。兩端頭區(qū)域25m范圍內(nèi)一排支柱，間距3m。兩端頭25m范圍內(nèi)有聯(lián)巷的按照設(shè)計(jì)參數(shù)施工。12502繞道1、2支護(hù)方式如圖3所示。

圖3 12502繞道1、2支護(hù)方式示意圖

3)12502、12503、12504主運(yùn)巷機(jī)頭：設(shè)計(jì)2排泵送支柱，非擴(kuò)幫段正幫側(cè)距支柱中心間距為1.25m，副幫側(cè)支柱間距為1.25m，擴(kuò)幫段正幫側(cè)距支柱中心間距為1.8m，副幫側(cè)支柱間距為1.8m，選取Φ700mm支柱，支柱間排距為2.5m×3m。兩端頭25m范圍內(nèi)呈3花布置。端頭區(qū)域有三角煤柱或交叉點(diǎn)面積大的按照設(shè)計(jì)參數(shù)施工。12502、 12503、12504主運(yùn)巷支護(hù)方式如圖4所示。

圖4 12502、 12503、12504主運(yùn)巷支護(hù)方式示意圖

4)12404-2切眼段：切眼寬度7.2m，工作面過該空巷時(shí)，需要等待加面安裝，工作面等待時(shí)間約為4～5d，期間可能出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)劇烈的情況。因此，該處布置3排支柱，確保安全生產(chǎn)，12404-2切眼支護(hù)方式如圖5所示。正幫側(cè)距支柱中心間距為1.1m，副幫側(cè)支柱間距為1.1m。切眼調(diào)車硐室口部布置1根泵送支柱，間距2.5m，深入調(diào)車硐室口部1m。

圖5 12404-2切眼支護(hù)方式示意圖

3.2 泵送支柱直徑確定

冒落高度范圍內(nèi)頂板自重m由式(2)計(jì)算[7]：

m=5×n×L×w×h×r×f=4781.25kN

(2)

式中，n為泵送支柱每排的數(shù)量，取2；L為泵送支柱支護(hù)間距，取5.0m；w為空巷巷道寬度，取5.0m；h為錨索錨固長(zhǎng)度，取5.0m；r為巖石平均比重，取2.55t/m3；f為安全系數(shù)，一般1～2.0，取1.5。

當(dāng)泵送支柱直徑為700mm、高度2.8m時(shí)，其提供的工作支撐力Q由式(3)進(jìn)行計(jì)算：

Q=πd2q·fs=5.2×106N=5200kN

(3)

式中，d為泵送支柱半徑，取0.35m；q為支柱材料實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)度，取15×106N/m2；fs為支柱結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度古氏系數(shù)，取0.9～1.0。

經(jīng)計(jì)算Q=5200kN，大于頂板自重(m=4781.25kN)，因此，直徑為700mm、高度2.8m的泵送支柱提供的工作支撐力能夠支撐冒落高度范圍內(nèi)頂板自重。

4 空巷泵送支柱施工工藝

4.1 泵送支柱施工工藝順序

泵送支柱施工工藝順序[8]：①施工地點(diǎn)安設(shè)螺桿泵1臺(tái)，水壓不小于0.8MPa，流量不小于40m3/h，電壓660V；②鋪設(shè)注漿管路，管路直徑DN25mm；③吊掛注漿充填袋，并校正、固定；④向充填袋內(nèi)注漿。

4.2 空巷施工泵送支柱順序

根據(jù)生產(chǎn)接續(xù)時(shí)間確定空巷施工泵送支柱順序：①先施工12503主運(yùn)巷8聯(lián)巷處空巷，施工數(shù)量為10個(gè)支柱；②再施工12404-2切眼，施工數(shù)量為117個(gè)支柱；③再施工12501繞道1，施工數(shù)量為5個(gè)支柱；④再施工12502繞道1，施工數(shù)量為73個(gè)支柱；⑤再施工12502主運(yùn)巷，施工數(shù)量為77個(gè)支柱；⑥再施工12503主運(yùn)巷，施工數(shù)量為83個(gè)支柱；⑦再施工12504主運(yùn)巷，施工數(shù)量為84個(gè)支柱；⑧最后施工12502繞道，施工數(shù)量為74個(gè)支柱。

4.3 泵送支柱施工材料

注漿材料采用A材料為生石灰，B材料采用高嶺土，注漿材料由A、B兩種組份按質(zhì)量比1∶1的比例組合而成。該材料具備固化速度快、早期強(qiáng)度增長(zhǎng)快、凝固時(shí)間可調(diào)、致密性好、滲透性強(qiáng)、不收縮、結(jié)實(shí)率高、密封性能強(qiáng)等特性。

材料全部由無機(jī)礦粉組成，完全阻燃，運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、使用過程沒有火災(zāi)隱患。無機(jī)礦物材料不揮發(fā)，使用過程沒有異味，能夠避免有毒氣體對(duì)人體的傷害。材料消耗量小，單位體積消耗量約240kg。

5 結(jié) 論

1)通過計(jì)算12404-1綜采面頂板支護(hù)強(qiáng)度，選擇合理的支護(hù)形式及支護(hù)材料，并在空巷采用泵送支柱進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。在空巷內(nèi)施工泵送支柱，通過支柱能夠?qū)⒖障镯敯鍘r層部分自重傳遞至底板，減輕空巷兩幫支承壓力，同時(shí)減小空巷內(nèi)頂板的擠壓應(yīng)力，能夠避免空巷底板發(fā)生底鼓。

2)綜采工作面過空巷是煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常面臨的實(shí)際難題，應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件，科學(xué)合理計(jì)算支護(hù)強(qiáng)度并選擇支護(hù)方式。同時(shí)還要考慮初采期間直接頂能否及時(shí)垮落，避免大面積懸頂。