補(bǔ)連塔煤礦綜采工作面過空巷泵送充填式支柱應(yīng)用研究

王剛偉

(國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 補(bǔ)連塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

自我國資源整合以來，許多不具備安全生產(chǎn)能力的地方小煤窯陸續(xù)被關(guān)閉，但由于小煤礦亂開亂采，留有較多廢棄、無法使用的空巷，煤炭開采過程中工作面通過這些年久未修的廢棄巷道稱為過空巷[1-4]。受開采活動(dòng)影響，空巷頂板遭到破壞，圍巖變形等問題嚴(yán)重影響著工作面安全高效生產(chǎn)[5，6]。

以補(bǔ)連塔煤礦22310 綜采工作面開采技術(shù)條件為背景，結(jié)合煤層圍巖條件及來壓情況，進(jìn)而確定空巷治理及支護(hù)方式，為工作面安全高效過空巷提供技術(shù)保障。

1 工程背景

補(bǔ)連塔煤礦22310綜采工作面位于補(bǔ)連塔煤礦井田的22煤三盤區(qū)，地層傾向南西，煤層傾角為1°～3°，標(biāo)高1032.67～1074.15m。上覆基巖厚度為30～226m，松散層厚度為0～32m。工作面煤層平均厚度6.92m。22310綜采工作面設(shè)計(jì)采高6.7m，采用傾斜長壁后退式開采一次采全高采煤法，采用全部垮落法處理采空區(qū)。

根據(jù)已回采工作面實(shí)際情況，工作面老頂初次垮落步距一般在50m以內(nèi)，周期來壓步距平均為12.1～15.6m。22310綜采工作面符合埋藏淺、基巖厚度大等近淺埋深煤層的特征。根據(jù)以往回采經(jīng)驗(yàn)，存在“大小周期來壓”(初次來壓步距呈現(xiàn)“中間小、兩頭大”的特征，周期來壓步距整體呈現(xiàn)“中間大，兩頭小”的特征)、頂板臺(tái)階下沉、礦壓顯現(xiàn)明顯、來壓持續(xù)時(shí)間長、工作面片幫炸幫嚴(yán)重等特征。周期來壓期間，來壓強(qiáng)度和范圍大，尤其是大周期來壓期間，相應(yīng)巷道副幫及受二次采動(dòng)影響巷道正幫超前20m范圍內(nèi)片幫嚴(yán)重，底鼓嚴(yán)重，頂板維護(hù)困難。

22310綜采工作面回采區(qū)域存在原上灣煤礦北進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)井及水泵房變電所等巷道，因礦井資源重新劃撥，隨后封閉。經(jīng)過礦方及公司詳細(xì)方案論證，采用直接硬過的方法且不影響下層31煤安全回采。但工作面過原上灣礦風(fēng)井、水泵房變電所及空巷期間存在冒頂、透水、壓死支架等安全隱患。

22310綜采工作面推采至空巷期間上覆存在3段集中煤柱，第一類型為長148.8m寬20m的平行于綜采面的1段傾向煤柱，綜采面推進(jìn)至3645～3665m，對(duì)應(yīng)工作面支架位置為22#—97#支架；第二類型為長150m寬15m的垂直于綜采面的2段走向煤柱，綜采面推進(jìn)至3670～3820m，對(duì)應(yīng)綜采面支架位置為22#—34#、89#—97#支架。集中煤柱覆蓋工作面位置松散層厚度5～10m，基巖厚度145～155m，與12煤采空區(qū)層間距約為33～44m，煤厚6.8～7.4m，含兩層夾矸，距煤層底板約0.16～0.40m，夾矸厚度約0.1～0.4m。上覆集中煤柱與工作面空巷位置如圖1所示。

圖1 上覆集中煤柱平面圖

2 確定與工作面同層空巷治理及支護(hù)方案

根據(jù)巷道布置情況現(xiàn)將與22310綜采工作面處于同一層面空巷劃分為6個(gè)區(qū)域，其中，較長的三個(gè)區(qū)域?yàn)?#、5#和6#，長度分別為100m、150m和170m，其余為幾十米長的不等短巷，總長度約為670m。巷道布置整體情況如圖2所示。

圖2 巷道布置平面圖

巷道原始支護(hù)為在錨、網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，噴漿支護(hù)為主、局部以砌碹支護(hù)為輔。對(duì)于綜采工作面，國內(nèi)傳統(tǒng)過空巷方法有：①用密集支柱或木垛加強(qiáng)對(duì)空巷頂板的支護(hù)；②用錨桿、錨索加固空巷頂板和兩幫。但由于密集支柱或木垛承載能力低，難以抵抗工作面超前支承壓力的作用，空巷在超前支承壓力的作用下產(chǎn)生冒頂和兩幫大范圍的片幫，而且，當(dāng)工作面接近空巷時(shí)，尤其是與工作面平行的空巷，頂板有可能在空巷上方發(fā)生斷裂，使工作面頂板下沉量大幅度增加，木垛將被壓縮至最大變形量位置，甚至?xí)霈F(xiàn)被壓劈裂的現(xiàn)象，空巷頂板會(huì)因木垛過度壓縮而引起離層乃至冒落，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，威脅安全生產(chǎn)。這2種方式只是加強(qiáng)了空巷的頂板支護(hù)，并不能確保工作面安全快速推過空巷，頂板可能發(fā)生整體下沉，因此，過空巷時(shí)僅僅加強(qiáng)空巷支護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。根據(jù)補(bǔ)連塔礦現(xiàn)有空巷特點(diǎn)，對(duì)比木垛和泵送充填式支護(hù)的特性，確定空巷治理及支護(hù)方式為泵送充填式支柱支護(hù)[7，8]。

3 泵送充填式支柱

泵送充填式支柱是將多種控制不同性能的無機(jī)材料按一定配比混合后再與水按比例攪拌，通過注漿泵輸送到一定距離的充填袋里，凝固后形成柱式支護(hù)。

泵送支柱具有支護(hù)面積大、整體性強(qiáng)、殘余強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。另外，由于灰漿泵的出口壓力至少1.2MPa和充填袋頂部是柔性的特點(diǎn)，保證了支柱接頂效果并有一定的初撐力。直徑、高度分別為0.76m和1.9m高的泵式支柱(帶有和不帶有加強(qiáng)筋)在實(shí)驗(yàn)室全尺寸的壓力試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，顯示了典型的泵式支柱的壓力位移變化特點(diǎn)和趨勢(shì)。

圖3 兩種泵送支柱全尺寸試驗(yàn)結(jié)果

以水灰比1.2∶1為例，其初凝時(shí)間約4.5min，2h后強(qiáng)度達(dá)到4.8MPa，4h、8h、24h、7d、14d、28d可分別達(dá)到5.4MPa、6.3MPa、7.5MPa、9MPa、9.8MPa和10.2MPa。 而當(dāng)水灰比降低到1∶1，3d可達(dá)14MPa左右。

已有文獻(xiàn)[9]研究表明：單體支柱支護(hù)工作面，一個(gè)循環(huán)內(nèi)(晝夜放頂一硐)，放頂期間距回采巷道5m木垛加強(qiáng)支護(hù)處，頂板下沉量與木垛荷載量，見表1，特征曲線如圖4所示。

表1 一個(gè)循環(huán)內(nèi)木垛支護(hù)工作參數(shù)

圖4 木垛支柱工作特性曲線

由圖4可知，木垛支護(hù)時(shí)，頂板荷載-沉降曲線近似成直線。以第8個(gè)循環(huán)為例，木垛荷載從0.4t增加到2t時(shí)，頂板下沉量約為95mm；木垛荷載從2t增加到4t時(shí)，頂板下沉量約為110mm。木垛可以看作是緩增阻型支架，只有當(dāng)頂板下沉量不斷增大時(shí)，而且在不斷增加的情況下，木垛才緩慢增加其工作阻力。

泵送支柱與錨桿支護(hù)、木垛支護(hù)相比，支撐強(qiáng)度高、讓壓變形能力強(qiáng)、殘余支撐強(qiáng)度高、具有可切割性，在實(shí)際生產(chǎn)過程中不會(huì)對(duì)設(shè)備造成額外的影響?；诒盟椭е陨线@些特點(diǎn)，該技術(shù)可應(yīng)用于回撤通道、軟巖巷道及礦壓較大的空巷支護(hù)，既能保證巷道圍巖穩(wěn)定性，又可以保證煤機(jī)安全順利地通過空巷。

4 工程實(shí)踐

4.1 泵送支柱布置方式

由于巷道頂板為拱形，為保證接頂效果，基本布置原則是單排布置，不規(guī)則三向交叉點(diǎn)及T-型交叉點(diǎn)的泵送支柱布置，如圖5所示。整體布置如圖6所示。

圖5 不規(guī)則區(qū)域泵送支柱布置示意圖

圖6 泵送支柱布置圖

4.2 泵送支柱工藝

泵送支柱施工包括兩個(gè)方面：掛袋支模和制漿泵送。

掛袋支模：首先按照事先確定好的位置，施工帶鉤的膨脹螺釘進(jìn)行定點(diǎn)，然后將模袋吊耳與膨脹螺釘?shù)膾煦^相連，垂直下拉模袋與巷道底板相接，最后用3～5根木條和3道鐵絲將模袋固定，泵送支柱掛袋支模方案如圖7所示。

圖7 泵送支柱掛袋支模示意圖

制漿泵送：按照設(shè)計(jì)水灰比先加水后加料，根據(jù)螺桿泵每分鐘下料量，調(diào)節(jié)水管閥門，控制水灰比，開始注漿，泵送支柱制漿泵送方案如圖8所示。

圖8 泵送支柱制漿泵送示意圖

4.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果

2018月10日15日夜班—2018月10月31日早班，22310綜采面過空巷共推進(jìn)了155m，合計(jì)203刀，利用Excel軟件將礦壓數(shù)據(jù)制成曲面圖，共觀測(cè)到1次小周期來壓，8次大周期來壓。10月18日早班，工作面過管子道時(shí)，工作面出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)，步距為13.8m，壓力持續(xù)6刀，支架活柱下沉量平均200～300mm，壓力主要集中在100#—140#支架，工作阻力42～46MPa，開啟安全閥占全部安全閥的平均25%，頂板局部漏矸 。10月15日早班(進(jìn)入原北回風(fēng)井前4m)、10月16日早班(出煤柱0～5m范圍內(nèi))、10月19日早班(出北進(jìn)風(fēng)井空巷后6m)、10月20日中班(進(jìn)入主排水泵房約中間位置)、10月22日夜班(進(jìn)入水倉時(shí))、10月24日夜班(進(jìn)入泵房通道后6m為與工作面平行空巷)、10月26日夜班(進(jìn)入變電所通道前3m)、10月28日早班(進(jìn)入車場(chǎng)巷道前1m)出現(xiàn)8次大壓，來壓期間整個(gè)綜采面安全閥大部分開啟，占全部安全閥的平均71%，頂板漏矸嚴(yán)重，煤壁片幫、炸幫嚴(yán)重，來壓強(qiáng)度和范圍大，支架工作阻力為47～51MPa，支架活柱下沉量平均600～1000mm，來壓持續(xù)時(shí)間平均4.3～6.9m，來壓步距11.2～27.4m，平均19.3m。過空巷期間礦壓監(jiān)測(cè)如圖9所示。

圖9 過空巷期間礦壓監(jiān)測(cè)曲面圖

22310綜采工作面從10月24日起，工作面開始逐步貫通使用泵送充填式支柱支護(hù)的平行工作面空巷。10月28日，工作面來壓，10月29日，工作面沒有采取拉架調(diào)斜、降低采高等其他措施，割煤速度也沒有降低，工作面順利通過空巷，空巷兩幫幾乎沒有任何變形，兩幫移近量不到100mm。泵送支柱支護(hù)空巷區(qū)頂板狀況良好，頂板最大下沉量200mm，工作面過空巷來壓期間，泵送支柱起到非常好的效果。支架工作阻力監(jiān)測(cè)的礦壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示支架工作阻力在割煤機(jī)接近、逐步揭露和通過空巷過程中沒有顯現(xiàn)較大的異常值，說明支柱能穩(wěn)定支撐頂板，經(jīng)受住頂板不同階段的來壓。

過空巷期間與正?；夭善陂g礦壓對(duì)比分析：

1)過空巷期間小壓與正常來壓對(duì)比，次數(shù)明顯減少，正?；夭善陂g小壓每天1次(每天推進(jìn)約13m)，但過空巷期間(155m)僅出現(xiàn)1次。

2)過空巷期間大壓與正常來壓對(duì)比，次數(shù)明顯增多，且來壓強(qiáng)度和范圍較正?；夭娠@現(xiàn)更加劇烈。正常回采期間大壓步距約為40～62m，過空巷期間大壓步距約為11.2～27.4m，步距減少約50%～80%。

3)正常回采期間小壓與大壓間隔出現(xiàn)較規(guī)律，約3～5次小壓后出現(xiàn)1次大壓，但過空巷期間基本以大壓為主。

4)過空巷期間與正?；夭善陂g相同點(diǎn)為：機(jī)頭、機(jī)尾壓力相對(duì)較小。綜采面兩端與中部支架來壓步距不同，周期來壓步距整體呈現(xiàn)“中間小，兩頭大”的特征，工作阻力整體呈現(xiàn)“中間大，兩頭小”的特征。

5 結(jié) 論

1)大采高工作面過平行于工作面空巷或與工作面同層空巷是煤礦開采中的一大難題。泵送充填式支柱的出現(xiàn)有效的解決了此類問題。泵送支柱施工工藝簡單、支護(hù)斷面面積大、整體性強(qiáng)、支護(hù)強(qiáng)度大、殘余強(qiáng)度高、并且容易被采煤機(jī)切割等優(yōu)點(diǎn)。

2)泵送充填支柱與原有木垛支護(hù)、錨桿錨索支護(hù)相比，可以根據(jù)22310綜采工作面具體的地質(zhì)及開采條件，靈活選擇支柱材料、施工水灰比、布置方式、模袋形狀、結(jié)構(gòu)等，使支柱受力始終處于“給定變形”條件下，控制頂板下沉。在工作面過巷期間，空巷頂板狀態(tài)良好，兩幫及頂?shù)装逡平枯^小均在可控范圍內(nèi)。泵送充填支柱在補(bǔ)連塔煤礦22310綜采工作面的成功應(yīng)用為此技術(shù)的推廣提供了可靠依據(jù)。