深部礦井綜采工作面巷旁充填留巷技術(shù)研究

馮志龍

【摘 要】 深部礦井普遍存在采掘接替緊張局面，將沿空留巷技術(shù)應(yīng)用到深部礦井中可在一定程度上提高礦井煤炭開(kāi)采效率以及安全保障能力。文章以13207綜采工作面回采為工程實(shí)例，提出使用巷幫充填留巷技術(shù)將回風(fēng)巷保留下來(lái)為鄰近采面服務(wù)，依據(jù)開(kāi)采煤層實(shí)際情況對(duì)充填留巷施工方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后充填留巷段圍巖取得較好控制效果，巷道可滿(mǎn)足采面煤炭開(kāi)采需要的同時(shí)在經(jīng)濟(jì)以及安全性方面均取得較好效益。研究結(jié)果表明：1）巷旁充填留巷技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中通過(guò)超前補(bǔ)強(qiáng)錨索降低采動(dòng)壓力給留巷段頂板影響，降低了留巷段頂板下沉量;2）充填留巷過(guò)程中通過(guò)合理確定添加劑使用量實(shí)現(xiàn)了混凝土長(zhǎng)距離泵送，從而滿(mǎn)足長(zhǎng)距離留巷需要，充填段頂板錨網(wǎng)索以及充填墻體等共同作用可實(shí)現(xiàn)留巷段頂板的有效控制，使用掩護(hù)支架可為充填留巷作業(yè)提供相對(duì)安全環(huán)境;3）采用膜袋進(jìn)行巷旁充填可適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境，同時(shí)在采空區(qū)內(nèi)無(wú)需施工模板，提高了充填效率以及安全保障能力。研究成果可為其他礦井類(lèi)似條件下充填留巷工作開(kāi)展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

【關(guān)鍵詞】 深部開(kāi)采;沿空留巷;巷旁充填;圍巖控制

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TD353 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）05-0001-03

沿空留巷可提升煤炭開(kāi)采效率并可緩解礦井采掘接替緊張局面，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。為充分發(fā)揮巷旁充填留巷技術(shù)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)重點(diǎn)解決下述兩個(gè)方面內(nèi)容：巷旁充填體應(yīng)具有較強(qiáng)的可靠性，除提供足夠的支護(hù)阻力外還應(yīng)適應(yīng)頂板巖層壓力變化，不容易出現(xiàn)變形以及漏風(fēng)等問(wèn)題;巷旁充填施工應(yīng)現(xiàn)代化，滿(mǎn)足采面快速推進(jìn)回采需要。為此，文中以山西某礦13207綜采工作面回風(fēng)巷巷旁充填沿空留巷為工程背景，對(duì)巷旁充填留巷技術(shù)進(jìn)行探討。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

13207綜采工作面底板埋深平均為820m，屬于深部開(kāi)采范疇，主采13#煤層，煤層厚度3.6m、傾角5°，賦存穩(wěn)定，煤層原始瓦斯含量10.5m3/t，自燃發(fā)火傾向性為I類(lèi)，發(fā)火周期最短為30d。13207綜采工作面設(shè)計(jì)走向推進(jìn)1603.5m、傾向斜長(zhǎng)180m，開(kāi)采高度平均3.6m。13#煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖、細(xì)砂巖為主，具體見(jiàn)表1。

1.2 巷道原支護(hù)方案

13207回風(fēng)巷為矩形斷面（凈寬×凈高=5.0m×3.6m），采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式，具體支護(hù)參數(shù)為：頂板采用螺紋鋼錨桿（φ20mm×2400mm）、鋼帶（寬×長(zhǎng)=80mm×4800mm）、金屬網(wǎng)（網(wǎng)孔50mm×50mm）以及錨索（φ17.8mm×6200mm）聯(lián)合支護(hù)。頂板錨桿每排6根，間距900mm、排距1000mm，靠近巷幫的兩根頂錨桿外插30°角、其余垂直頂板;頂板錨索每排5根，靠近巷幫的兩根錨索外插30°。巷幫用螺紋鋼錨桿（φ20mm×2400mm）、金屬網(wǎng)（長(zhǎng)×寬=2000mm×1000mm）、鋼帶（寬×長(zhǎng)=80mm×100mm）進(jìn)行支護(hù)，巷幫每排布置5根錨桿且均垂直布置。

2 巷旁充填留巷關(guān)鍵技術(shù)

2.1 緩凝早強(qiáng)混凝土

受到井下空間、巷旁充填位置等諸多因素制約，充填混凝土需要進(jìn)行長(zhǎng)距離泵送，因此需要混凝土具有一定緩凝性;為了及早實(shí)現(xiàn)充填體對(duì)頂板支撐，承受頂板壓力，使用的混凝土應(yīng)具備一定的早強(qiáng)特征。現(xiàn)階段一般通過(guò)各種添加劑來(lái)調(diào)整混凝土特性，從而達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)泵送以及灌注需要。在13207回風(fēng)巷留巷前即通過(guò)試驗(yàn)合理確定添加劑使用量，確?；炷猎?2h內(nèi)抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到5.8MPa以上，24h強(qiáng)度可達(dá)到10MPa以上。在巷旁充填24h即可前移掩護(hù)支架。

2.2 充填材料遠(yuǎn)距離泵送

13207綜采工作面平均推進(jìn)速度為4.0m/d，推進(jìn)速度較快，而回風(fēng)巷留巷充填工序復(fù)雜、需要材料多、輔助運(yùn)輸工作量大，若充填、施工或者其他任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題均會(huì)制約采面推進(jìn)。由于巷旁充填施工點(diǎn)空間狹小，而混凝土上料、攪拌等均需要較大的空間，為此將巷旁混凝土充填、混凝土攪拌等分開(kāi)進(jìn)行，避免工序相互干擾。攪拌完成后的混凝土使用專(zhuān)用管道、混凝土泵進(jìn)行泵送。充填材料遠(yuǎn)距離泵送即可滿(mǎn)足巷旁充填需要、降低巷旁充填對(duì)采面生產(chǎn)影響，而且可減少充填點(diǎn)作業(yè)人員數(shù)量。

2.3 頂板補(bǔ)強(qiáng)加固

為確定巷旁充填施工點(diǎn)頂板巖層穩(wěn)定，采用錨索超前采面對(duì)回風(fēng)巷頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù);在采面后方使用掩護(hù)支架為充填段頂板錨桿、錨索以及金屬網(wǎng)等鋪設(shè)提供相對(duì)安全環(huán)境，具體見(jiàn)圖1所示。在充填段頂板錨網(wǎng)索、充填混凝土等綜合作用下確保留巷段頂板巖層穩(wěn)定。

3 巷旁充填留巷技術(shù)方案

根據(jù)前文分析成果，提出使用頂板強(qiáng)化支護(hù)、巷旁膠結(jié)體充填相結(jié)合方法對(duì)留巷段圍巖進(jìn)行控制。具體13207回風(fēng)巷頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)以及充填布置見(jiàn)圖2所示。

3.1 頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

13207回風(fēng)巷在原有支護(hù)基礎(chǔ)上，超前采面50m使用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。具體補(bǔ)強(qiáng)使用的錨索規(guī)格為φ17.8mm×6200mm，沿著巷道縱向布置2排，間距2000mm、排距950mm;兩排錨索距離采空區(qū)巷幫間距分別控制在450mm、1400mm。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的錨索采用由GDII140/20鋼帶制作的錨索梁進(jìn)行連接。

在巷旁充填體頂板上覆采用錨桿、錨索支護(hù)，支護(hù)參數(shù)與巷道頂板原支護(hù)參數(shù)一致。

3.2 巷旁充填

3.2.1巷旁充填方案

巷旁充填使用的膜袋沿著巷道縱向方向長(zhǎng)3000mm、深入到采空區(qū)內(nèi)4100mm、最大充填高度為4000mm。在采空區(qū)幫一側(cè)采用木柱、單體通過(guò)交錯(cuò)布置進(jìn)行護(hù)巷，木柱、單體交錯(cuò)間距控制在500mm;在距離采空區(qū)幫800mm位置按照1500mm間距布置一排單體。將膜袋懸掛到充填段頂板金屬網(wǎng)上，并向膜袋內(nèi)灌注充填材料，充填材料中矸石、水泥、水、粉煤灰配比為69∶9∶20∶2。膠結(jié)后充填袋內(nèi)充填體抗壓強(qiáng)度可達(dá)到4MPa以上。

3.2.2充填工藝

每班安排一組人員進(jìn)行巷旁充填工作，具體巷旁充填工藝流程為：地面水泥、破碎矸石運(yùn)輸井下→混凝土攪拌制作→混凝土泵送→膜袋充填。在綜合考慮充填材料運(yùn)輸、攪拌空間、管道鋪設(shè)以及通風(fēng)排水等后，決定在13207工作面鄰近的13209開(kāi)切眼內(nèi)布置混凝土泵站，具體充填路線(xiàn)見(jiàn)圖3所示。

4 留巷效果分析

留巷段圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4所示。

從圖4中看出，隨著測(cè)點(diǎn)滯后采面距離增加，充填留巷段巷道圍巖變形呈現(xiàn)緩慢變形、快速增加以及基本穩(wěn)定等三個(gè)階段。第一階段為在滯后采面10m范圍，此階段內(nèi)巷道圍巖變形整體較小;第二階段為滯后采面60m范圍內(nèi)，在此階段頂板、巷幫變形量均快速增加，在本階段后期隨著與采面距離增加，頂板、巷幫變形量增加速度也明顯降低，此階段頂板、巷幫變形量分別為300mm、230mm;第三階段為滯后采面60m以外范圍，此階段隨著與采面距離增加圍巖變形量基本保持穩(wěn)定。在13207回風(fēng)巷采用巷旁充填、頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等方式后，可滿(mǎn)足留巷段圍巖控制需要，最終留巷段斷面可達(dá)到原巷道斷面88%以上，可滿(mǎn)足后期通風(fēng)、行人等需要，取得較好留巷效果。

13207工作面從2020年1月開(kāi)始進(jìn)行回采、回風(fēng)巷充填留巷工作，至同年12月回風(fēng)巷留巷工作結(jié)束，其間共留巷長(zhǎng)1530m，留巷段每米可直接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約8000元，通過(guò)留巷總體可獲取至少1200余萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

采用緩凝早強(qiáng)混凝土作為充填材料構(gòu)筑混凝土墻，具體充填材料中矸石、水泥、水、粉煤灰配比為69∶9∶20∶2，將膜袋作為巷旁充填模板，提高充填安全性以及施工便捷性。同時(shí)，采用錨索對(duì)巷道頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，采面后方留巷段作業(yè)人員均在掩護(hù)支架掩護(hù)下工作，安全系數(shù)較高。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，巷旁充填留巷可滿(mǎn)足采面快速回采需要，留巷段頂板、巷幫變形量分別控制在305mm、239mm以?xún)?nèi)，留巷段斷面達(dá)到原巷道斷面88%以上;13207回風(fēng)巷留巷長(zhǎng)度共計(jì)1530m，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離留巷目標(biāo)，同時(shí)礦井通過(guò)充填留巷可獲取至少1200萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)效益。

【參考文獻(xiàn)】

[1]郭偉.切頂卸壓沿空留巷在燕家河煤業(yè)10103綜采工作面的應(yīng)用實(shí)踐[J].中國(guó)礦山工程，2021，50（3）：36-39.

[2]劉鵬飛.沿空留巷巷旁充填體寬度與支護(hù)技術(shù)研究[J].山東煤炭科技，2021，39（5）：37-39.

[3]劉剛.深部開(kāi)采工作面切頂卸壓留巷技術(shù)研究[J].中國(guó)礦山工程，2021，50（2）：28-31.

[4]秦興林.礦井開(kāi)采沿空留巷技術(shù)應(yīng)用研究[J].中國(guó)礦山工程，2021，50（2）：35-36，50.

[5]劉亞軍.屯蘭礦22301工作面巷旁充填沿空留巷技術(shù)研究[J].煤礦現(xiàn)代化，2021，30（2）：24-26.

[6]郝龍.巷旁充填沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采圍巖穩(wěn)定性分析[J].江西煤炭科技，2020（4）：19-21.

[7]王冬，李洪偉，趙仁生.深部沿空留巷巷旁充填材料試驗(yàn)研究[J].煤炭科技，2020，41（3）：32-35.

[8]丁可可.突出礦井深部巷道沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用[J].能源與環(huán)保，2020，42（4）：169-174.

[9]陳勇，孟寧康，楊玉貴，等.沿空留巷巷旁充填體穩(wěn)定性控制技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47（9）：273-278.