綜采面運輸巷機械化原巷充填采煤工藝研究

張重陽

（晉能控股煤業(yè)集團永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037001）

1 概況

永定莊煤礦2104工作面采用綜合機械化開采，工作面走向長度1 560 m，傾斜長度145 m；工作面標高-313～-348 m，地面標高+11.5～+14.8 m，煤層平均厚度約3.6 m。由于前期部分小煤窯對該礦區(qū)區(qū)域進行了開采，存在一定采空區(qū)及采空區(qū)積水，開采難度較大。2104工作面直接頂由泥巖和砂巖等組成，可見一定的植物化石；該工作面老頂主要由細砂巖構(gòu)成，質(zhì)地較硬，存在裂隙滑面。結(jié)合地質(zhì)地層結(jié)構(gòu)組成，選擇機械化原巷充填采煤工藝[1]，保證綜采巷道圍巖穩(wěn)定安全，降低片幫冒頂?shù)仁鹿拾l(fā)生概率；同時可以降低護巷煤柱應(yīng)力，解放煤柱下方煤層[2]，避免下方煤層掘進時煤與瓦斯突出事故的發(fā)生；另外填充體封閉性能好[3]，能有效防止瓦斯等有害氣體從采空區(qū)溢出[4]。

2 原巷充填巷道圍巖力學(xué)特征分析

采用Flac數(shù)值模擬軟件對2104工作面兩道原巷填充開采和不填充開采兩種工況下的巷道圍巖應(yīng)力場、位移場和圍巖破壞場等巷道圍巖力學(xué)特征分布規(guī)律進行研究。

2.1 回采巷道圍巖應(yīng)力場分布特征

分別模擬未填充與填充開采巷道在距離工作面不同處巷道處垂直應(yīng)力，模擬結(jié)果如圖1所示。根據(jù)圖1可以看出兩種工況下巷道垂直應(yīng)力的變化趨勢是相同的，在距離開采工作面4 m內(nèi)的巷道垂直應(yīng)力最大，未充填工況巷道可以達到42.12 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.52，填充工況巷道最大應(yīng)力為41.07 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.63；在20 m處未充填和充填工況下巷道垂直應(yīng)力分別為32.74 MPa和28.16 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.15和1.02；在模擬最遠處，即距離工作面60 m處，垂直應(yīng)力分別為27.45 MPa和18.44 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.08和1.03。

圖1 未充填與充填巷道不同位置垂直應(yīng)力變化

分析不同工況下垂直應(yīng)力變化趨勢可以看出，無論是哪種開采方式，最大垂直應(yīng)力都出現(xiàn)在距開采工作面約4 m處，位置大致相同。這是受工作面采動影響的原因，相較而言，充填開采巷道應(yīng)力峰值小于未充填開采巷道，隨著距離開采面距離的增加，垂直應(yīng)力持續(xù)下降，且充填開采巷道應(yīng)力下降趨勢明顯更大，最終兩種開采方式下巷道均在60 m以后垂直應(yīng)力趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的垂直應(yīng)力相差約30%，因此充填開采方式更有利于巷道穩(wěn)定。

2.2 回采巷道圍巖位移場分布特征

分別模擬未填充與填充開采巷道在距離工作面不同處巷道頂?shù)装逦灰铺攸c，分別選取了距離開采面1 m、10 m、25 m、40 m和60 m五個模擬位置進行研究，模擬結(jié)果如表1所示。

表1 未充填與充填巷道頂?shù)装逦灰屏繑?shù)據(jù)表（單位/mm）

分析不同工況下巷道頂?shù)装逦灰屏孔兓厔菘梢钥闯觯嚯x開采面1 m距離處的頂?shù)装逦灰屏渴亲畲蟮?，充填開采巷道的位移量是遠遠小于未充填開采巷道的，且充填巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏颗c10 m處的未充填巷道頂?shù)装逦灰屏繋缀跸嗟?；隨著距離增加，位移量都在減小，最終在60 m處均趨于穩(wěn)定，且位移量在該處幾乎相同，這說明充填開采方式對巷道最不穩(wěn)定的0～60 m范圍內(nèi)的頂?shù)装逦灰屏靠刂朴忻黠@效果，但在60 m之后，由于巷道受到采動影響已經(jīng)不強烈，因此巷道穩(wěn)定性都得到保障。

2.3 回采巷道圍巖破壞場分布特征

通過模擬發(fā)現(xiàn)，兩種開采方式均會導(dǎo)致巷道出現(xiàn)拉伸破壞和剪切破壞現(xiàn)象，其中剪切破壞導(dǎo)致的巷道圍巖失穩(wěn)為主要因素。模擬顯示，無論是充填開采巷道還是未充填開采巷道，圍巖的破壞程度都較大，這是受到工作面采動的影響導(dǎo)致的，相較而言，充填開采巷道的剪切破壞范圍相對較小。對距離開采工作面10 m、25 m和60 m三處巷道進行破壞場模擬，其中在10 m處，兩種開采方式下的巷道圍巖均以剪切破壞為主，同時還有拉伸破壞情況的出現(xiàn)；同樣的模擬結(jié)果也在40 m處出現(xiàn)，而在60 m處，拉伸破壞現(xiàn)象沒有出現(xiàn)，巷道圍巖的較為穩(wěn)定。分析模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩種開采方式下，巷道圍巖的破壞形式實質(zhì)上是相同的，破壞場因素復(fù)雜，圍巖破壞因素呈現(xiàn)復(fù)合形式，同時存在剪切破壞和拉伸破壞。但從模擬結(jié)果也可以看出，充填巷道中的充填體也會出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，說明充填體對巷道圍巖具有一定的支護作用，承擔(dān)了部分巷道應(yīng)力導(dǎo)致的破壞。

3 原巷機械化充填方案

通過分析原巷充填巷道圍巖力學(xué)特征，充填開采方式對巷道圍巖的垂直應(yīng)力控制、頂?shù)装逦灰屏靠刂坪推茐膱隹刂贫加泻苊黠@效果，有助于保持工作面巷道的圍巖穩(wěn)定性，結(jié)合2104工作面特點，進行機械化充填方案研究。

原巷機械化充填工藝的核心是采用注漿泵將充填材料通過管道輸送到綜采工作面附近的充填模箱內(nèi)[5-6]，經(jīng)過充填材料的固化形成隔離墻，將采空區(qū)域與巷道分隔開，結(jié)合巷道內(nèi)的液壓支護方案共同起到支護效果。原巷機械化充填工藝相較于一般填充工藝，最大特點是機械化程度高[7-8]，通過采用抓包機、上料機以及注漿混合器和注漿泵的配合，取代人工搬運、混合注漿材料；使用超前液壓支架取代單體液壓支柱支護；隔離墻的形成通過注模箱實現(xiàn)；原巷機械化充填工藝部分工序能夠?qū)崿F(xiàn)同時施工，降低充填施工時間。機械化充填過程中對巷道和采空區(qū)的擾動很小[9]，且形成的隔離墻支護強度高，能夠最大程度減少回采巷道的圍巖變形量[10]，為巷道超前支護機械設(shè)備的進入提供條件。原巷機械化充填工藝流程為割煤—移架—設(shè)立充填模箱—注漿攪拌—充填—超前支護—割煤。該方案可以實現(xiàn)區(qū)段無煤柱開采，下區(qū)段工作面巷道可沿充填體掘巷，充填體位置模型如圖2所示。

圖2 原巷機械化充填工藝充填體位置

3.1 充填設(shè)備選型

注漿泵選型要根據(jù)工作面的實際推進能力來確定，充填泵選型按照以下公式確定：

式中：Q為注漿泵的額定流量，m3/h；n為注漿泵的效率，取值一般為0.8；t為每天注漿時間，h；S為原巷平均截面積，m2；L為工作面每天推進長度，m。

2104工作面每天的推進速度約為7 m，原巷平均高度為4.5 m，平均寬度為6.4 m，即充填截面積為28.8 m2，充填施工采用三班制，除去設(shè)備檢修清理等時間外，每班實際充填施工時間約為4 h，按照公式確定的充填泵設(shè)計額定流量為21 m3/h，選用2ZBYS32/10-15型三缸注漿泵，額定流量為32 m3/h。其他設(shè)備的選型型號和設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 2104工作面原巷機械化充填采煤工藝主要設(shè)備參數(shù)

3.2 充填制漿混合系統(tǒng)

采用高水充填材料進行漿液制造，漿液混合系統(tǒng)大致可以分為材料存放部位、漿液制備部位、漿液混合部位以及漿液輸送部位，各部位配合工作，在操作人員控制下實現(xiàn)充填制漿和混合輸送，該系統(tǒng)是充填系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)配置相對復(fù)雜。充填制漿混合系統(tǒng)固定安置在井下一定位置，不隨工作面推進而移動，系統(tǒng)制備的混合漿液要經(jīng)過長距離輸送到達充填區(qū)域。制漿系統(tǒng)有連續(xù)制漿和非連續(xù)制漿兩種模式，連續(xù)制漿模式需要提前將制漿材料配比確定，系統(tǒng)開啟后按照投放的原料比連續(xù)不斷制備漿液并輸送；非連續(xù)制漿系統(tǒng)復(fù)雜，可以根據(jù)需求在制漿過程中不斷調(diào)整各原料比，漿液性能更能滿足充填需求。2104工作面充填區(qū)域圍巖特點基本相同，按照固定比例配制的漿液能夠滿足充填需求，充填材料以硫酸鹽水泥熟料為基料，加入石膏、石灰、復(fù)合緩凝劑、懸浮劑、復(fù)合速凝劑等配制而成，水灰比為1.5:1。

3.3 充填管路系統(tǒng)

充填管路系統(tǒng)主要實現(xiàn)漿液從注漿泵注入充填模箱的功能，漿液分兩部分輸送完成，管路一方面要耐壓，另一方面管徑要適中。2104工作面原巷充填選擇高壓軟管，耐壓等級為16 MPa，管徑為250 mm管路進行充填管路系統(tǒng)鋪設(shè)，如圖3所示。

圖3 2104工作面注漿充填管路系統(tǒng)

3.4 機械化充填采煤工藝實施

2104工作面采煤機采用端頭斜切進刀方式，反向割三角煤的刀頭切割路徑，采煤機完成一次路徑截割后，運輸機緊跟其后達到煤幫，前后滾筒分別進行上升和下降動作，沿刮板運輸機彎曲段切入到煤壁，一直移動到刮板運輸機的直線段，并將刮板運輸機抵直，調(diào)換滾筒上下位置割三角煤，再次調(diào)換滾筒上下位置正常割煤，然后抵溜、移架，對運輸巷道進行充填，反復(fù)進行以上工藝步驟。充填模箱通過千斤頂與超前液壓支架連接，液壓支架推動前進時，通過千斤頂?shù)呐浜蠈崿F(xiàn)充填模箱的同步移動。模箱到位后，操作人員開啟注漿系統(tǒng)，向模箱內(nèi)進行注漿充填?？紤]到2104工作面原巷充填條件，設(shè)計的模箱為L型半封閉結(jié)構(gòu)，機械化充填采煤工藝實施如圖4所示。

4 應(yīng)用效果

為了驗證原巷機械化充填采煤工藝實施效果，對巷道圍巖位移量進行監(jiān)測對比，分別選取2104工作面順槽液壓支架超前支護未進行充填巷道和充填巷道各60 m的長度范圍進行巷道頂?shù)装逦灰屏勘O(jiān)測設(shè)備的布置，按照監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制如圖5所示。

圖4 2104工作面機械化充填采煤工藝施工

圖5 60 m范圍內(nèi)液壓支架支護未填充和填充段巷道頂?shù)装逡平繉Ρ?/p>

通過圖5可以看出，在相同位置處未經(jīng)過充填巷道頂?shù)装逡平勘忍畛湎锏理數(shù)装逡平看?，二者在距離工作面最近處相差最大，約為25 mm左右，說明經(jīng)過填充的巷道圍巖穩(wěn)定性更加優(yōu)秀，與利用Flac數(shù)值模擬軟件進行的回采巷道圍巖位移場分布特征模擬結(jié)果對比可以看出，實際監(jiān)測的未充填段巷道和充填段巷道頂?shù)装逦灰屏颗c軟件模擬結(jié)果基本相同，從理論和實踐兩個方面進一步證明了充填開采工藝的有效性和科學(xué)性。另外在采用原巷機械化充填采煤工藝后，仍采用三班作業(yè)制度，原巷道支護組人數(shù)為15人，目前為4人，填充進度滿足采煤機掘進進度，極大降低了人工勞動強度。