張 英
(晉煤集團 沁秀煤業(yè)有限公司,山西 沁水 048205)
岳城煤礦現(xiàn)開采3號煤層, 煤層平均厚度6.11 m,采用走向長壁自然垮落綜合機械化分層開采方法,Ⅲ3308(下)工作面為3號煤三盤區(qū)最后一個工作面,地質(zhì)條件復(fù)雜,上層空巷、本層空巷多,上層空巷在上分層回采過程中已采取了措施,并且多次過上層空巷,已有一定的經(jīng)驗,本層空巷為原小煤窯遺留巷道,巷道破壞嚴(yán)重,對回采影響較大。本文針對如何過本層空巷進行研究。
Ⅲ3308(下)工作面位于南閔村以西,原南河灘風(fēng)井以東,賈山村以北,回風(fēng)立井以南。地面標(biāo)高747~872 m,蓋山厚度342~515 m,平均厚度429 m?;夭上锏姥啬媳狈较虿贾?,與東翼輔助運輸巷成90°夾角,其中,Ⅲ3215巷為進風(fēng)巷,安裝膠帶輸送機擔(dān)負(fù)運煤任務(wù),Ⅲ3216巷為回風(fēng)巷,敷設(shè)軌道,擔(dān)負(fù)運料任務(wù)(圖1)。工作面回采方向為由南向北回采,回采長度為896 m,根據(jù)巷道布置分為三個階段,一階段工作面長度(切眼一)133.5 m,可采長度168 m;二階段工作面長度203 m,可采長度345 m;三階段長度從203 m逐漸增加到218 m(該部分回風(fēng)巷為利用的已有巷道),可采長度383 m?;夭刹糠置簩雍穸? m,厚度穩(wěn)定,普氏系數(shù)f=3.5~4,容重1.45 t/m3,煤層頂?shù)装鍘r性見表1。
Ⅲ3308(下)工作面在回采過程中,需要通過南進風(fēng)巷、南回風(fēng)巷、南軌道巷、南配風(fēng)巷、小窯尾巷等空巷,如圖1,這些空巷大部分失修、變形嚴(yán)重。
注:圖中畫斜線部分為工作面通過的本層空巷
表1 煤層頂?shù)装逄卣?/p>
南進風(fēng)巷、南回風(fēng)巷、小窯尾巷以及三個橫川為原小煤窯遺留巷道,巷道斷面受礦壓影響底鼓和片幫嚴(yán)重,頂板破碎,底鼓量大部分在1 000 mm左右,巷道斷面尺寸約為3 m×2.5 m,巷道僅采用木質(zhì)親口棚支護,棚距大小不一,300~400 mm,木棚木梁斷裂、木棚腿折斷超過50%。
南軌道巷、南配風(fēng)巷、Ⅲ33081巷為新施工巷道,采用錨網(wǎng)索支護,沿3號煤層底板布置,巷道斷面4 m×3 m,巷道局部兩幫鼓出,通過加強支護,可以控制。
Ⅲ13082巷及橫川為上分層巷道,上分層工作面回采過程中已經(jīng)采取了鋪網(wǎng)、打木垛等措施,本工作面回采可以保證安全。
因此,工作面回采的難點在于南進風(fēng)巷、南回風(fēng)巷、小窯尾巷等原小煤窯遺留巷道,也是本文研究的重點。
隨著回采進行,工作面與空巷之間的距離越來越小,當(dāng)距離小至一定范圍時,工作面與空巷間的煤柱將不能承擔(dān)超前采動壓力而被壓垮,由于工作面前方增加了空巷和煤柱的破壞區(qū)域,按照砌體梁理論分析,大面積的上覆巖石沒有有效的支撐,砌體梁結(jié)構(gòu)提前發(fā)生破壞,從而引起工作面劇烈的礦壓顯現(xiàn)。
如圖2,在工作面與空巷之間的距離足夠遠時,超前采動應(yīng)力對工作面和空巷間的煤柱影響為正常狀態(tài),即無空巷狀態(tài),工作面周期來壓步距和壓力正常顯現(xiàn),工作面礦壓顯現(xiàn)正常。隨著工作面繼續(xù)向前推進,工作面與空巷越來越近,煤柱越來越小,當(dāng)煤柱小到一定程度,不能起到應(yīng)有的支撐作用時,就會在超前采動壓力作用下破壞變形,如圖3所示,懸頂面積突然增大,周期來壓提前到來,基本頂將提前發(fā)生斷裂,回轉(zhuǎn)下沉,形成“跨巷長關(guān)鍵塊”[1],此跨巷長關(guān)鍵塊比正常關(guān)鍵塊多出煤柱寬度和空巷寬度兩個距離。突然的、提前的頂板失穩(wěn),造成工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈、破壞設(shè)備、威脅人身安全。
圖2 常規(guī)關(guān)鍵塊破斷模型[1]
圖3 跨巷長關(guān)鍵塊破斷模型[1]
所以,工作面要安全通過空巷,需要對空巷圍巖進行強有力的支護。
根據(jù)回采經(jīng)驗,岳城煤礦2016年初回采Ⅲ1309(上)工作面時,通過一條平行工作面寬度7 m的本層空巷,采用搭設(shè)木垛的方式進行支護,工作面割透空巷時發(fā)生片幫、底鼓、頂板下沉等劇烈礦壓現(xiàn)象,近乎發(fā)生“親嘴”現(xiàn)象,通過空巷風(fēng)險極大。
Ⅲ3308(下)工作面回采時,將連續(xù)通過三條平行于工作面的空巷,且空巷頂幫支護強度較弱,因此,選擇合適的空巷支護方式對采面順利通過空巷尤為重要。為保證安全順利通過空巷,制定如下三套方案。
方案一:搭設(shè)木垛進行支護。支護參數(shù):采用直徑200 mm、長度1 500 mm板梁搭設(shè)木垛,木垛間距2 m,支設(shè)在巷道正中。
方案二:錨桿錨索聯(lián)合支護,根據(jù)礦井施工錨桿巷道經(jīng)驗,采用施工參數(shù):錨桿間距1 m,排距1 m,錨索間距1.8 m,排距2 m。
方案三:選擇一種材料對空巷進行充填,從而解決礦山壓力問題,常見的有矸石置換充填、超高水材料充填、膏體充填等。根據(jù)調(diào)查,超高水材料充填的工藝較為簡單,成本低,適用性強,所以本文選擇超高水材料作為充填材料。
為了比較三種方案的效果,通過數(shù)值模擬,從垂直與水平位移、圍巖應(yīng)力分布、塑性區(qū)分布三方面進行了對比分析,其中,三種方案的頂板下沉量、底鼓量、兩幫移近量模擬結(jié)果如圖4所示。
由圖4可以看出,木垛支護只是對頂板起支撐作用,對兩幫沒有起作用,受采動影響后變形量最大;錨桿支護對兩幫有一定支撐作用,相較于采動壓力遠遠不足;超高水材料充填不但對頂板起支撐作用,對兩幫同樣起到支撐作用,限制其變形。采用超高水材料充填工作面空巷,充填體與巷道的頂板接觸較好,對空巷的充填效果佳,可有效控制巷道的變形,防止工作面在推進過程中空巷變形過大而導(dǎo)致工作面過空巷遇阻,同時采用超高水材料充填,巷道的應(yīng)力集中系數(shù)較低,不會出現(xiàn)大變形等現(xiàn)象。
圖4 數(shù)值模擬位移結(jié)果
另外,采用充填方式過空巷,當(dāng)工作面割過空巷時可直接切割充填體,防止煤壁片幫,可安全快速過空巷。
綜上所述,選擇超高水材料充填空巷的方式過Ⅲ3308(下)工作面空巷。
考慮到施工的經(jīng)濟效益,工作面通過空巷的超高水材料充填水灰比(水∶超高水材料)確定為8∶1。
為了保證充填效果、固結(jié)體接頂良好,根據(jù)各巷道及聯(lián)絡(luò)巷底板標(biāo)高,劃分為若干區(qū)段,自里向外逐段進行充填,如圖5所示,充填順序為Ⅲ33081巷—小窯尾巷1—小窯尾巷2—一橫川—三橫川—二橫川—南進風(fēng)巷(西側(cè))—南回風(fēng)巷—南進風(fēng)巷(東側(cè))。
各段之間需砌筑止?jié){墻,從而防止?jié){液流動,這里選用磚墻,厚度240 mm,止?jié){墻砌筑前,先敷設(shè)充填管路,本次選用普通膠管,將膠管吊掛在頂板上,出口位于充填區(qū)段最高點。管路布置好以后,砌筑止?jié){墻,并在墻體頂部留觀察孔,大小為0.2 m×0.2 m,充填滿后,斷開充填管時,要用棉紗堵住充填管,并將觀察孔用磚和水泥封堵。
2017年12月13日至2018年2月1日,南進風(fēng)巷、南回風(fēng)巷及聯(lián)絡(luò)橫川累計充填量5 546 m3,693 t。
圖5 Ⅲ3308(下)工作面中部空巷區(qū)段充填區(qū)域示意
2018年5月份工作面回采安全通過中部空巷充填區(qū)域,過程中沒有出現(xiàn)頂板破碎、片幫等現(xiàn)象,但是出現(xiàn)了一些新問題:一是工作面水大,超高水材料充填體承壓后會泌水;二是充填體具有一定粘度,采煤機截割過程中,充填體會黏在滾筒上,影響機組運行;三是原巷道支護的木腿、雜物、板梁、鐵器等,隨采煤機截割不斷進入刮板輸送機。為解決以上問題,回采過程中采取了工作面?zhèn)涡蓖七M、配煤、加強排水、人工檢出雜物等措施,保證了工作面正常推進。
工作面通過中部空巷充填區(qū)域過程中,對Ⅲ3308(下)工作面液壓支架壓力進行監(jiān)測,如圖6所示,工作面支架最大工作阻力達到21 MPa,為工作面距離空巷2 m左右時,其它時間支架工作組力在20.1~20.5 MPa,變化幅度非常小。
圖6 距離空巷不同距離工作面支架壓力
在通過空巷的過程中,工作面沒有出現(xiàn)片幫現(xiàn)象,也未出現(xiàn)漏頂現(xiàn)象,表現(xiàn)出充填體的良好承載能力。
1) 采用超高水材料充填過空巷,回采工作面過空巷期間,支架接頂效果好,礦壓顯現(xiàn)不明顯,無片幫、漏頂現(xiàn)象。
2) 超高水材料充填過空巷是一種安全、經(jīng)濟、高效的辦法,能夠保證工作面快速通過空巷。
3) 超高水材料充填過空巷存在一個弊端,對煤質(zhì)有影響,洗選是解決不了的,如果通過材料改進能解決這個問題會更加方便。