高效回收遺留煤柱過空巷群泵送支柱支護(hù)技術(shù)研究

劉 劍

(內(nèi)蒙古鄂爾多斯市能源局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010)

近些年來，隨著淺部煤炭資源接近末采，為降低礦井的通風(fēng)量和減少巷道維護(hù)，將部分大巷進(jìn)行封閉報(bào)廢，而盤區(qū)大巷遺留大量煤柱，煤炭浪費(fèi)嚴(yán)重，若能實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理地高效回采將給礦井帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益[1]。遺留煤柱內(nèi)部往往存在一定數(shù)量的空巷組成的空巷群[2，3]，以往對此采用的連采短壁布置方式回采，效率低、資源浪費(fèi)多[4-6]，若能實(shí)現(xiàn)綜采開采不僅能提高回采效率，還能解決短壁回采頂板安全隱患，但根據(jù)已有開采經(jīng)驗(yàn)，綜采面過大巷及聯(lián)巷空巷時，受動壓及采動超前支承壓力影響，當(dāng)空巷支護(hù)強(qiáng)度低或來壓強(qiáng)度較高時，空巷易發(fā)生離層冒頂事故[7，8]。對于采面過空巷所面臨的問題，專家學(xué)者們開展了相應(yīng)的研究，謝生榮等以建立理論模型、數(shù)值模擬等手段對工作面過空巷支架及圍巖壓力等情況進(jìn)行分析，提出了錨桿索支護(hù)、注漿等技術(shù)[9]；鄭志軍以空巷基本頂斷裂位置為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行研究，提出采面平行于空巷時應(yīng)提前降低采高并加以支護(hù)[10]。上述研究提供了重要的指導(dǎo)意義，但以往采面過空巷技術(shù)方案工藝繁瑣，過空巷時間長，在錨桿索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，還需單體液壓支柱支護(hù)空巷，存在安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)并加大了停機(jī)等待時間[11]；對于破碎頂板，點(diǎn)接觸式錨桿索支護(hù)基本失效[12，13]，且空巷頂板不確定性因素較多，加大了離層冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)[14，15]。選擇不同的支護(hù)方式與工藝，過空巷群最終的效果也存在較大差異[16-18]。

哈拉溝煤礦首次回收大巷煤柱，將中央主運(yùn)、輔運(yùn)及回風(fēng)大巷152—172聯(lián)巷煤柱布置在22311綜采面內(nèi)，回采過程中將過中央主運(yùn)、回風(fēng)大巷、聯(lián)巷、調(diào)車硐室、風(fēng)橋等空巷群，存在不可預(yù)見的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，礦井在借鑒以往過空巷支護(hù)方式的不足，考慮到泵送支柱具有較強(qiáng)的讓壓變形能力、較高的支撐力和較高的殘余支撐強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)[19]，擬采用泵送支柱方式支撐頂板，從泵送支柱機(jī)理出發(fā)，系統(tǒng)性的介紹泵送支柱技術(shù)的優(yōu)勢及現(xiàn)場應(yīng)用情況，確保22311綜采面安全通過空巷群。

1 工作面開采條件及空巷分布情況

1.1 工作面開采條件

22311工作面煤層厚度1.7～5.4m，平均煤厚4.1m，工作面可采儲量113萬t，推進(jìn)度940m，為“凸”型工作面，工作面長分別為213m、298.6m、238m，如圖1所示。工作面位于22煤三盤區(qū)，開采深度45～111m，工作面上覆基巖厚64～80m，松散層厚度0～31m。

圖1 22311綜采面空巷分布

22311-1綜采工作面支架選用第1-36套北煤ZY12000/25/50D型液壓支架，共配置126臺，工作阻力12000kN，立柱安全閥開啟壓力為43MPa。

1.2 工作面空巷分布情況

22311綜采面推進(jìn)過程中，需要經(jīng)過與工作面垂直空巷2條，與工作面平行空巷11條，揭露最大跨度71m(40架、面積397.6m2)；與巷道呈58°夾角空巷4條(2個高5.7m的機(jī)頭硐室、2個高5.3m的風(fēng)橋)；T字型聯(lián)巷5個、Y型調(diào)車硐4個。空巷總長度合計(jì)3021m、共計(jì)26條，如圖1所示。

2 泵送支柱支護(hù)機(jī)理

泵送支柱支護(hù)原理類似于木垛支護(hù)，能夠抗-讓壓結(jié)合。支柱上部充填發(fā)泡材料，給頂板下沉空間，讓圍巖釋放彈性能量，降低頂板壓力，減小充填體抗壓強(qiáng)度的需求；隨著頂板下沉，支柱的載荷也不斷增加，當(dāng)承載能力達(dá)到峰值，柱體開始破壞，由于膜袋和環(huán)筋的約束，支柱就會被不斷的壓縮，但基本的支柱形態(tài)保持不變。支柱的抗壓強(qiáng)度降低，峰后殘余強(qiáng)度起主要的支撐作用[20，21]。頂板與支柱形變關(guān)系如圖2(a)所示，泵送支柱實(shí)物如圖2(b)所示。

圖2 泵送支柱-頂板關(guān)系和實(shí)物圖

隨著頂板不斷下沉，泵注支柱不斷被壓縮，橫截面積不斷增大。在理想狀態(tài)下，根據(jù)等體積換算，支柱的底面積計(jì)算公式為：

S1=S·H/(H-h)

(1)

式中，S為原有泵注支柱的底面積，m2；H為高度，m；V為體積，V=SH，m3；h為頂板下沉量，m。

根據(jù)式(1)，頂板下沉后橫截面積S1擴(kuò)大百分比為h/H-h，那么隨著頂板進(jìn)一步下沉，雖然泵注支柱的抗壓強(qiáng)度不斷降低，但是由于橫截面積的增大，泵注支柱的承載能力下降梯度就會變緩慢。支柱強(qiáng)度梯度變化過程如圖3所示，圖中，Pmax為泵注支柱抗壓強(qiáng)度峰值，kN；Pc1、Pc2、Pc3為泵注支柱破壞后的殘余強(qiáng)度，kN；ΔL1為泵注支柱抗壓強(qiáng)度上升階段其高度壓縮量，mm；ΔL2為泵注支柱抗壓強(qiáng)度下降階段其高度壓縮量，mm。

圖3 支柱強(qiáng)度梯度變化過程

泵注支柱達(dá)到峰值后破壞，強(qiáng)度成階梯狀下降，隨著支柱不斷被壓縮，支柱截面積增大，殘余強(qiáng)度比例較前峰值強(qiáng)度的比例增大，支柱的壓縮量也不斷增加，最終支柱的壓縮量為L1+L2，也就是頂板下沉的極限控制量。

3 試驗(yàn)段泵送支柱支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

22311綜采工作面空巷煤柱回收面臨的主要問題是空巷數(shù)量多、類型多且距離長等，通過與施工單位技術(shù)人員多次討論商定，計(jì)劃采取分段支護(hù)。為保險(xiǎn)起見，前期中央大巷163—172聯(lián)巷段保守設(shè)計(jì)，空巷支護(hù)強(qiáng)度大；后期中央大巷162—154聯(lián)巷段根據(jù)前期支護(hù)效果進(jìn)行評估和參數(shù)優(yōu)化，提高支護(hù)性價(jià)比和經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 測點(diǎn)布置

為掌握前期空巷區(qū)域圍巖受力、變形規(guī)律，在空巷區(qū)域布置了應(yīng)力、位移測點(diǎn)，采用GUD2000礦用本安型無線位移傳感器進(jìn)行空巷頂?shù)装迨湛s量監(jiān)測，采用液壓枕進(jìn)行泵送支柱壓力監(jiān)測，測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 測點(diǎn)布置

3.2 空巷泵送支柱支護(hù)參數(shù)

為確保22311綜采面過空巷安全，在空巷錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上，采取泵送支柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)試驗(yàn)段為中央大巷163—172聯(lián)巷段。泵送支柱分為圓柱體與圓臺體兩種類型，圓柱體直徑為800mm，圓臺體底部直徑為1200mm、頂部直徑為800mm，超高5m巷道采用圓臺體泵送支柱，其余均采用圓柱體支柱。泵送支柱支護(hù)情況如圖5所示。

圖5 前期試驗(yàn)段空巷泵送支柱支護(hù)(m)

1)Y型調(diào)車硐和T型聯(lián)巷交叉口均采用“叢柱式”法支護(hù)，其中，Y型交叉口5～6根，T型交叉口5～8根。

2)平行空巷采用“叢柱式”+“二變一式”法支護(hù)，主運(yùn)—回風(fēng)大巷間聯(lián)巷每排2根，間距2.5m，排距2m；主運(yùn)—輔運(yùn)大巷間聯(lián)巷每排1根，排距2m；輔運(yùn)大巷側(cè)10m范圍內(nèi)不支護(hù)支柱。

3)斜交風(fēng)橋空巷采用“叢柱式”法支護(hù)。斜交機(jī)頭硐室空巷采用“叢柱式”+“二變一式”法支護(hù)，主運(yùn)—回風(fēng)大巷間聯(lián)巷每排2根，間距2.5m，排距2m；主運(yùn)—輔運(yùn)大巷間聯(lián)巷每排1根，排距2m；斜交非挑頂段巷道不支護(hù)支柱。

3.3 礦山壓力及圍巖變形分析

3.3.1 過“T”和“Y”型空巷

22311綜采工作面過172—169聯(lián)巷“T”和“Y”型空巷期間，空巷頂板無明顯離層、下沉，空巷內(nèi)泵送支柱壓力小，無明顯受力變化。根據(jù)布置于中央回風(fēng)、主運(yùn)大巷170、169聯(lián)巷的無線位移傳感器數(shù)據(jù)，工作面距離測點(diǎn)35～40m時，測點(diǎn)處頂?shù)装彘_始移近；距測點(diǎn)20m時，頂?shù)装蹇焖僖平恢醒牖仫L(fēng)、主運(yùn)大巷處頂?shù)装逡平孔畲蠓謩e為46mm和30mm。

3.3.2 過平行空巷

22311綜采工作面過168聯(lián)巷(第一個平行空巷)期間，空巷內(nèi)泵送支柱無明顯受力變化，空巷頂板無明顯離層、下沉，空巷段交叉區(qū)域礦壓顯現(xiàn)，存在局部片幫。工作面貫通空巷時，空巷區(qū)域開始來壓，來壓持續(xù)約4m，來壓期間空巷對應(yīng)的20#、40#支架最大工作阻力分別為44.4MPa和50.2MPa，空巷區(qū)域支架安全閥開啟率約10%。

工作面距168聯(lián)巷測點(diǎn)45m時，頂?shù)装彘_始移近；距測點(diǎn)25m時，頂?shù)装蹇焖僖平还ぷ髅嫱七M(jìn)至測點(diǎn)時，中央回風(fēng)、主運(yùn)和輔運(yùn)大巷處頂?shù)装逡平糠謩e為82mm、76mm和52mm，如圖6所示。由于泵送支柱具有大變形特性，工作面推進(jìn)過程中，頂?shù)装逡平冃螇毫Ρ恢е?，支柱無破壞、傾倒現(xiàn)象，空巷頂板狀況良好。

圖6 中央大巷處頂?shù)装逡平壳€

在168、166和165聯(lián)巷空巷內(nèi)泵送支柱布置了壓力枕進(jìn)行壓力監(jiān)測，12月11日早班，工作面推進(jìn)至距168聯(lián)巷約10m時，測點(diǎn)支柱壓力開始增大，168聯(lián)巷空巷巷幫局部噴漿皮脫落；12月11日夜班，工作面距測點(diǎn)3m，支柱受力增大至1.5MPa，如圖7所示，168聯(lián)巷局部有片幫現(xiàn)象。

圖7 168聯(lián)巷空巷泵送支柱應(yīng)力曲線

對于22311綜采工作面空巷煤柱回收采用泵送支柱進(jìn)行了一段試驗(yàn)段，總體來看：

1)工作面揭露空巷時，巷道頂板完好，錨索無崩斷損壞現(xiàn)象。工作面距空巷35～45m時，工作面超前支承壓力開始對空巷產(chǎn)生作用，但頂?shù)装逡平孔畲髢H為82mm；工作面過168聯(lián)巷平行空巷時，距離空巷10m支柱受力開始變化；距離空巷3m時，聯(lián)巷口局部片幫，支柱受力增大至1.5MPa。

2)空巷交叉點(diǎn)應(yīng)力集中，礦壓顯現(xiàn)相對明顯；距離工作面相同位置時，靠近工作面中部的中央回風(fēng)大巷處頂?shù)装逡平看笥谥醒胫鬟\(yùn)大巷；工作面過168聯(lián)巷平行空巷時，空巷頂?shù)装逡平?、支柱受力和超前支承壓力影響距離均大于170聯(lián)巷和169聯(lián)巷“T”型空巷，即空巷長度越大，超前支承壓力顯現(xiàn)越明顯。

3)工作面過168聯(lián)巷平行空巷時，空巷內(nèi)整體礦壓顯現(xiàn)不明顯，泵送支柱無傾倒、爆柱現(xiàn)象，說明泵送支柱和錨索聯(lián)合支護(hù)強(qiáng)度過剩。

4 泵送支柱支護(hù)技術(shù)優(yōu)化

4.1 優(yōu)化方案

結(jié)合22311綜采工作面試驗(yàn)段172—163聯(lián)巷泵送支柱支護(hù)空巷開采情況及分析，對后續(xù)162—154聯(lián)巷段空巷泵送支柱進(jìn)行優(yōu)化，如圖8所示。

圖8 162—154聯(lián)巷段空巷泵送支柱優(yōu)化(m)

162聯(lián)巷(平行空巷，縮面位置區(qū)域)：由于162聯(lián)巷位于22311-2工作面縮面停機(jī)位置10m處，適當(dāng)提高了優(yōu)化支護(hù)強(qiáng)度。中央回風(fēng)、主運(yùn)大巷交叉口泵送支柱由8根減少為4根；主運(yùn)—回風(fēng)大巷間聯(lián)巷泵送支柱由2排減少為1排，排距由2m調(diào)整為2.8m；主運(yùn)—輔運(yùn)大巷間聯(lián)巷泵送支柱由1排調(diào)整為不支護(hù)支柱。

161、160和157聯(lián)巷(平行空巷)：中央回風(fēng)、主運(yùn)大巷交叉口泵送支柱由8根減少為4根；主運(yùn)—回風(fēng)大巷間聯(lián)巷泵送支柱由2排減少為1排，排距由2m調(diào)整為3.5m；主運(yùn)—輔運(yùn)大巷間聯(lián)巷泵送支柱由1排調(diào)整為不支護(hù)支柱。

158和159聯(lián)巷(斜交空巷)：中央回風(fēng)大巷交叉口泵送支柱由5根減少為3根；159聯(lián)巷中央主運(yùn)大巷交叉口泵送支柱由8根減少為4根；158聯(lián)巷中央主運(yùn)大巷交叉口泵送支柱由“叢柱式”+“二變一式”法支護(hù)調(diào)整為“叢柱式”法支護(hù)，支柱由40根減少為6根。

155和156聯(lián)巷(平行空巷，斷層影響)：中央回風(fēng)、主運(yùn)大巷交叉口泵送支柱由8根減少為4根；主運(yùn)-回風(fēng)大巷間聯(lián)巷泵送支柱由2排減少為1排，排距由2m調(diào)整為3.5m；主運(yùn)-輔運(yùn)大巷間聯(lián)巷泵送支柱由1排調(diào)整為不支護(hù)支柱。(由于局部受F44斷層影響，斷層最大落差1.7m，斷層影響區(qū)域10m范圍內(nèi)支護(hù)2排，間排距均為2.8m)。

4.2 泵送支護(hù)對工作面開采影響分析

1)過162聯(lián)巷平行空巷開采情況。22311綜采工作面推進(jìn)至距離162聯(lián)巷9m位置停產(chǎn)縮面，停產(chǎn)時間4d。由于工作面停產(chǎn)位置距離空巷9m，受超前支承壓力的影響，當(dāng)工作面推進(jìn)至162聯(lián)巷時，空巷對應(yīng)的20#、40#支架最大工作阻力分別為41.5MPa和48.0MPa，其中40#支架安全閥已經(jīng)開啟，回風(fēng)大巷處空巷頂板下沉達(dá)400mm，支柱支護(hù)強(qiáng)度超過了15MPa。但是，由于錨索的支護(hù)作用，無漏頂現(xiàn)象，空巷交叉區(qū)域局部片幫明顯。

2)過157聯(lián)巷平行空巷開采情況。22311綜采工作面過157聯(lián)巷平行空巷期間，空巷頂板無明顯離層、下沉。工作面推進(jìn)至距離157聯(lián)巷空巷3m時，工作面未來壓，中央回風(fēng)、主運(yùn)大巷頂?shù)装逡平糠謩e為38mm和30mm。當(dāng)工作面貫通空巷后，工作面設(shè)備故障停機(jī)8h，工作面周期來壓，空巷對應(yīng)的20#、40#支架最大工作阻力分別為42.6MPa和49.4MPa，空巷交叉區(qū)域局部片幫明顯。

4.3 泵送支柱改進(jìn)措施

針對22311綜采面過空巷的特點(diǎn)，采取了一系列措施，確保了綜采面順利回收了大巷煤柱、安全通過了空巷。具體采取了以下措施：

1)超高巷道圓臺支柱設(shè)計(jì)：過空巷超高巷道5～6m段優(yōu)化泵支柱結(jié)構(gòu)形式，變圓柱支柱為圓臺支柱，如圖9所示，不但可有效防止支柱失穩(wěn)破壞，還能降低成本。

圖9 超高巷道圓臺支柱設(shè)計(jì)

2)過假頂巷道錨索吊掛設(shè)計(jì)：為防止采煤機(jī)割倒泵支柱后出現(xiàn)漏空問題，在假頂工字鋼梁上方用錨桿或錨索加300mm×300mm大托盤進(jìn)行吊掛，取得了較好效果。

3)支柱注漿模袋改進(jìn)優(yōu)化：為減少回采中的鐵器，選取部分泵送支柱采用塑鋼或雙層模袋代替泵支柱注漿模袋內(nèi)的鐵鋼圈，如圖10所示。

圖10 支柱注漿模袋改進(jìn)優(yōu)化

5 結(jié) 論

1)22311綜采工作面采用泵送支柱支護(hù)技術(shù)，順利通過了26條空巷，成功回收了兩條大巷煤柱，多回收煤炭資源11.1萬t，相比傳統(tǒng)過空巷支護(hù)方法，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

2)使用優(yōu)化后的方案，順利通過了中央大巷162—154聯(lián)巷段，減少了施工泵送支柱322根，節(jié)約成本209萬元。

3)工作面推進(jìn)至距空巷10m時，泵送支柱礦壓開始顯現(xiàn)；過空巷期間礦壓顯現(xiàn)不強(qiáng)烈，空巷未出現(xiàn)頂板冒落現(xiàn)象、巷幫片幫不明顯，泵送支柱可以滿足現(xiàn)場實(shí)際需求。

4)采用泵送支柱支護(hù)空巷回收大巷煤柱技術(shù)提高了煤炭資源回收率，為今后其它礦井工作面空巷煤柱回收提供了借鑒。