鳳凰山礦煤柱回收工作面過空巷充填技術(shù)

賈兆祥

(晉城煤業(yè)集團，山西 晉城 048006)

1 工程概況

晉城煤業(yè)集團鳳凰山礦二水平煤柱回收工作面開采9號煤層，煤層平均厚度1.5 m，傾角0～6°，平均3°，含1層0.08 m厚的泥巖夾矸，煤層直接頂為石灰?guī)r，厚度0.12～0.45 m，平均0.24 m，基本頂為細砂巖，厚度2.63～8.27 m，平均5.31 m，直接底巖性為泥巖，厚度0.40～2.84 m，平均1.65 m，老底巖性為石灰?guī)r，厚度0.3～0.92 m，平均0.61 m。工作面采用綜合機械化采煤方法，采高為1.65 m，工作面一階段長度113.95 m、回采長度652.79 m；二階段長度70.11 m、回采長度360.57 m。

二水平煤柱回收工作面回采范圍內(nèi)有IX1316回風(fēng)橫川、五橫川及IX1314回風(fēng)橫川等10條空巷，空巷斷面形狀為拱形和矩形，巷內(nèi)的支護方式為錨網(wǎng)梁支護或錨網(wǎng)噴支護，具體工作面位置及空巷分布形態(tài)如圖1所示。

圖1 工作面位置及空巷分布位置示意

2 空巷圍巖變形機理

回采工作面過空巷時，主要存在兩方面的問題，一方面為基本頂出現(xiàn)超前破斷，空巷被上覆巖層冒落下來的矸石所充填，進而致使工作面在回采推進至空巷區(qū)域時，無法正常推進通過；另一方面隨著回采工作面的推進使得工作面與空巷間的寬度逐漸減小，當(dāng)工作面與空巷間的寬度小于臨界寬度時，煤柱會不斷積蓄能量，易使煤柱出現(xiàn)突變失穩(wěn)現(xiàn)象，影響工作面的正?；夭赏七M。

根據(jù)理論研究與工程實踐結(jié)果[1-2]，空巷基本頂超前破斷是由于煤柱出現(xiàn)失穩(wěn)，致使頂板巖層失去了下部的支撐作用，基本頂所受的應(yīng)力超過其極限的抗拉強度，從而出現(xiàn)了超前破斷，且基本頂?shù)钠茢辔恢弥饕c其自身的厚度、容重、強度和覆巖載荷等因素有關(guān)。

基于上述分析可知，為防止基本頂發(fā)生超前破斷，需保障煤柱的穩(wěn)定，應(yīng)使空巷內(nèi)部的支護阻力大于其所需最低支護阻力，以防止工作面與空巷間煤柱的失穩(wěn)?，F(xiàn)結(jié)合二水平煤柱回收工作面內(nèi)空巷的賦存特征，確定采用空巷充填的方式，保障上方基本頂巖層的穩(wěn)定，確保工作面正?；夭赏ㄟ^空巷區(qū)域。

3 空巷充填方案與效果

3.1 充填方案

1) 充填材料。在保障技術(shù)滿足要求的情況下，基于經(jīng)濟考慮，本次空巷充填作業(yè)的材料選用高水材料，材料由A和B兩種材料組成，兩種材料的使用比例為1∶1，確定材料的水灰比為4∶1，初凝時間為1 h；該水灰比下材料膠結(jié)24 h后的單軸抗壓強度能夠達到4.2 MPa[3-4]，可有效支撐空巷頂板。

2) 充填方法。根據(jù)二水平煤柱回收工作面內(nèi)空巷的賦存條件，充填方法采用分段阻隔充填法[5-6]，如圖2所示。該方法先根據(jù)空巷特征將巷道劃分為若干個區(qū)段，分別在每個區(qū)段分割線處構(gòu)筑止?jié){墻，根據(jù)二水平煤柱回收工作面特征，設(shè)置分段長度為15 m，止?jié){墻體的厚度為1.2 m，在一個止?jié){墻體構(gòu)筑完成后1 d，進行空巷區(qū)域的充填作業(yè)，隨后依次根據(jù)劃分分段進行筑墻與充填作業(yè)。

圖2 分段阻隔充填法示意

3) 充填系統(tǒng)。在進行充填作業(yè)時，充填材料在井下進行攪拌制備，使用攪拌器將A、B兩種漿液攪拌均勻，通過A泵、B泵及兩趟高壓管路進行漿液的輸送，在出漿口的位置處將漿液進行混合，插入充填區(qū)域內(nèi)進行充填作業(yè)，具體流程如圖3所示。

3.2 效果分析

工作面液壓支架型號為ZZa4000-10/21型普通支架，支架的額定工作阻力為4 000 kN，工作面泵站壓力為32 MPa，支架初撐力為26 MPa。在工作面過空巷期間進行支架壓力的監(jiān)測作業(yè)，現(xiàn)以工作面推進通過IX1316回風(fēng)橫川空巷時的支架壓力進行分析，具體如圖4所示。

由圖4可知，隨著工作面距離空巷距離的減小，液壓支架的壓力逐漸增大，在工作面距離空巷50 m的位置處，支架的壓力為29.4 MPa，隨著回采作業(yè)的進行，支架的壓力開始逐漸增大，當(dāng)工作面推進至空巷區(qū)域時，液壓支架的壓力達到最大值，為30.5 MPa，增長了3.7%，此時支架壓力與泵站提供的壓力之間仍存在著約4.7%的富裕系數(shù)。當(dāng)工作面推進通過空巷后，隨著回采的進行，支架的壓力逐漸降低，大致回采推進過空巷50 m的位置時，支架壓力恢復(fù)正常狀態(tài)，表明空巷的存在對其前后50 m范圍內(nèi)圍巖體的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。另外結(jié)合回采期間的現(xiàn)場觀測結(jié)果可知，回工作面過其余空巷期間，支架受力同樣較為正常，支架無安全閥開啟的現(xiàn)象，煤壁未出現(xiàn)大范圍的片幫現(xiàn)象?；谏鲜龇治隹芍ぷ髅娌捎酶咚牧线M行空巷充填開采取得了良好的效果。

圖3 充填系統(tǒng)示意

圖4 工作面過充填空巷期間液壓支架壓力曲線

4 結(jié) 語

根據(jù)二水平煤柱回收工作面空巷賦存情況，通過分析空巷圍巖變形機理，確定采用高水材料空巷充填技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用表明，空巷充填效果良好，保障了工作面的安全回采。