分層綜采工作面超高水材料充填過本層空巷技術(shù)研究

張 英

(晉煤集團(tuán) 沁秀煤業(yè)有限公司，山西 沁水 048205)

岳城煤礦現(xiàn)開采3號(hào)煤層， 煤層平均厚度6.11 m，采用走向長(zhǎng)壁自然垮落綜合機(jī)械化分層開采方法，Ⅲ3308(下)工作面為3號(hào)煤三盤區(qū)最后一個(gè)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(yàn)，本層空巷為原小煤窯遺留巷道，巷道破壞嚴(yán)重，對(duì)回采影響較大。本文針對(duì)如何過本層空巷進(jìn)行研究。

1 工作面概況及中部空巷情況

1.1 工作面概況

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。回采巷道沿南北方向布置，與東翼輔助運(yùn)輸巷成90°夾角，其中，Ⅲ3215巷為進(jìn)風(fēng)巷，安裝膠帶輸送機(jī)擔(dān)負(fù)運(yùn)煤任務(wù)，Ⅲ3216巷為回風(fēng)巷，敷設(shè)軌道，擔(dān)負(fù)運(yùn)料任務(wù)(圖1)。工作面回采方向?yàn)橛赡舷虮被夭?，回采長(zhǎng)度為896 m，根據(jù)巷道布置分為三個(gè)階段，一階段工作面長(zhǎng)度(切眼一)133.5 m，可采長(zhǎng)度168 m；二階段工作面長(zhǎng)度203 m，可采長(zhǎng)度345 m；三階段長(zhǎng)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(zhǎng)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。

1.2 工作面中部空巷情況

Ⅲ3308(下)工作面在回采過程中，需要通過南進(jìn)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(jìn)風(fēng)巷、南回風(fēng)巷、小窯尾巷以及三個(gè)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(hù)，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(hù)，沿3號(hào)煤層底板布置，巷道斷面4 m×3 m，巷道局部?jī)蓭凸某?，通過加強(qiáng)支護(hù)，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(diǎn)在于南進(jìn)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(diǎn)。

2 綜采工作面過空巷技術(shù)研究

2.1 工作面過空巷基本頂破斷特征分析

隨著回采進(jìn)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(shí)，工作面與空巷間的煤柱將不能承擔(dān)超前采動(dòng)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(yuǎn)時(shí)，超前采動(dòng)應(yīng)力對(duì)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(jìn)，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(shí)，就會(huì)在超前采動(dòng)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(zhǎng)關(guān)鍵塊”[1]，此跨巷長(zhǎng)關(guān)鍵塊比正常關(guān)鍵塊多出煤柱寬度和空巷寬度兩個(gè)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(zhǎng)關(guān)鍵塊破斷模型[1]

所以，工作面要安全通過空巷，需要對(duì)空巷圍巖進(jìn)行強(qiáng)有力的支護(hù)。

2.2 過空巷技術(shù)方案

根據(jù)回采經(jīng)驗(yàn)，岳城煤礦2016年初回采Ⅲ1309(上)工作面時(shí)，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(jìn)行支護(hù)，工作面割透空巷時(shí)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(xiǎn)極大。

Ⅲ3308(下)工作面回采時(shí)，將連續(xù)通過三條平行于工作面的空巷，且空巷頂幫支護(hù)強(qiáng)度較弱，因此，選擇合適的空巷支護(hù)方式對(duì)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(jìn)行支護(hù)。支護(hù)參數(shù)：采用直徑200 mm、長(zhǎng)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(hù)，根據(jù)礦井施工錨桿巷道經(jīng)驗(yàn)，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(duì)空巷進(jìn)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(jiǎn)單，成本低，適用性強(qiáng)，所以本文選擇超高水材料作為充填材料。

2.3 數(shù)值模擬對(duì)比分析

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(jìn)行了對(duì)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(hù)只是對(duì)頂板起支撐作用，對(duì)兩幫沒有起作用，受采動(dòng)影響后變形量最大；錨桿支護(hù)對(duì)兩幫有一定支撐作用，相較于采動(dòng)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足；超高水材料充填不但對(duì)頂板起支撐作用，對(duì)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(duì)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(jìn)過程中空巷變形過大而導(dǎo)致工作面過空巷遇阻，同時(shí)采用超高水材料充填，巷道的應(yīng)力集中系數(shù)較低，不會(huì)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(shí)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。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

3.1 高水材料充填施工

考慮到施工的經(jīng)濟(jì)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(jìn)行充填，如圖5所示，充填順序?yàn)棰?3081巷—小窯尾巷1—小窯尾巷2—一橫川—三橫川—二橫川—南進(jìn)風(fēng)巷(西側(cè))—南回風(fēng)巷—南進(jìn)風(fēng)巷(東側(cè))。

各段之間需砌筑止?jié){墻，從而防止?jié){液流動(dòng)，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(diǎn)。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(shí)，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(jìn)風(fēng)巷、南回風(fēng)巷及聯(lián)絡(luò)橫川累計(jì)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

3.2 工作面回采通過空巷區(qū)域

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(huì)泌水；二是充填體具有一定粘度，采煤機(jī)截割過程中，充填體會(huì)黏在滾筒上，影響機(jī)組運(yùn)行；三是原巷道支護(hù)的木腿、雜物、板梁、鐵器等，隨采煤機(jī)截割不斷進(jìn)入刮板輸送機(jī)。為解決以上問題，回采過程中采取了工作面?zhèn)涡蓖七M(jìn)、配煤、加強(qiáng)排水、人工檢出雜物等措施，保證了工作面正常推進(jìn)。

3.3 實(shí)施效果分析

工作面通過中部空巷充填區(qū)域過程中，對(duì)Ⅲ3308(下)工作面液壓支架壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖6所示，工作面支架最大工作阻力達(dá)到21 MPa，為工作面距離空巷2 m左右時(shí)，其它時(shí)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。

4 結(jié) 語

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(jì)、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(gè)弊端，對(duì)煤質(zhì)有影響，洗選是解決不了的，如果通過材料改進(jìn)能解決這個(gè)問題會(huì)更加方便。