淺埋礦井邊界空巷分區(qū)聯(lián)合治理技術(shù)研究

劉 東

(神木市能源局，陜西 榆林 719300)

0 引言

井田邊界隔離煤柱是保證相鄰礦井互相獨立生產(chǎn)的安全煤柱，主要用來防止相鄰礦井水災(zāi)、火災(zāi)等災(zāi)害的相互影響，對保證礦井的生產(chǎn)安全極為重要[1 -3]。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，煤礦井田邊界煤柱留設(shè)寬度應(yīng)不低于20 m[4]。由于歷史遺留問題，神木地區(qū)某礦一條工作面回風平巷距西部井田邊界最近處僅10 m，不符合煤礦井田邊界煤柱寬度的相關(guān)規(guī)定。因此，需要在留出足夠邊界煤柱寬度的前提下，確定新回風平巷的布置方案及原回風平巷處理方案。

1 工作面概況

神源煤礦5202工作面主采5-2煤，其上層4-3煤已回采完畢，層間距58 m左右，5-2煤層屬長焰煤41號或不粘結(jié)煤31號，普氏系數(shù)為2.3，煤層平均厚度3.65 m，傾角1°～4°，屬全區(qū)可采的穩(wěn)定型厚煤層。煤層上方依次為灰白色泥鈣質(zhì)膠結(jié)、平均厚度12.34 m的中粒砂巖，以及灰白色緩斜層理、平均厚度5.35 m的細粒砂巖，工作面綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 工作面綜合柱狀Fig.1 Comprehensive histogram of working face

工作面原回風平巷斜南段向于井田邊界，最近處距井田邊界僅10 m，最遠處為21 m，巷道全長235 m。此情況下直接造成2個問題：一方面，井田保安煤柱厚度不足，易產(chǎn)生安全隱患[5 -7]；另一方面，巷道與工作面回風平巷不平行，工作面回采過程中需時常進行設(shè)備回撤、縮面工作，嚴重影響回采效率[8 -9]。因此，需針對性進行新巷道布置與原有空巷治理工作，確定最優(yōu)方案以保障工作面安全高效生產(chǎn)。

2 巷道布置與分區(qū)聯(lián)合治理方案

2.1 巷道治理思路

確定工作面新回風平巷布置方案及原有空巷治理方案時應(yīng)綜合考慮以下3個方面。

保障安全回采：新巷道布置后必將存在兩巷相隔過近或交匯的情況，由于兩巷圍巖應(yīng)力相互影響且隔離保護煤柱較窄，后期還要受到工作面采動影響[10 -12]。因此，應(yīng)充分考慮如何保障巷道圍巖穩(wěn)定的問題。

避免資源浪費：考慮到資源回收率及礦井自身效益，新平巷布置應(yīng)在保障安全回采的前提下，盡量避免煤炭資源損失。

均衡技術(shù)經(jīng)濟效益：新巷道布置及舊巷治理方案制定時應(yīng)充分權(quán)衡新巷掘進成本、舊巷治理成本及方案實施難度等因素，盡量利用已有平巷，使技術(shù)經(jīng)濟效益最大化。

2.2 巷道治理方案

結(jié)合前文分析，綜合考慮井田保安煤柱寬度、巷道穩(wěn)定性、資源回收率及技術(shù)經(jīng)濟效益，確定工作面新回風平巷及相鄰空巷治理方案。新掘5202回風平巷南段與井田邊界平行，邊界煤柱寬度為21 m，符合礦井安全回采需求。進一步的，需要對原回風平巷進行維護處理，以避免巷道開掘及工作面回采過程中5202回風平巷在臨近空巷影響下出現(xiàn)的片幫、冒頂?shù)劝踩L險?？紤]兩巷交匯處頂板跨度及兩巷間隔煤柱寬度，將巷道分為4個區(qū)段制定分區(qū)聯(lián)合治理方案，如圖2所示。

第Ⅰ段(煤柱大間隔段)：自1#聯(lián)巷側(cè)密閉位置起至第2個硐室處，全長59 m，兩巷間煤柱寬度在3～5 m之間，對此區(qū)段巷道及第1個硐室采用高水材料進行完全充填，材料水灰比為4∶1，最終強度可達1.6 MPa，可以滿足安全回采需求。

第Ⅱ段(煤柱小間隔段)：自第2個硐室至第4個硐室處(兩巷交匯點)，全長64 m，兩巷間煤柱寬度在0～3 m之間，對此區(qū)段巷道及第2、第3個硐室采用高水材料進行完全充填，由于巷間煤柱較窄，材料水灰比提高為3∶1，以提高充填材料強度與承載能力，水灰比3∶1的高水材料最終強度可達2.4 MPa。

第Ⅲ段(大跨度頂板段)：自第4個硐室至第6個硐室處，全長69 m，此區(qū)段兩巷已交匯，巷道頂板跨度在7.9～10.3 m，對此區(qū)段巷道采用墩柱+木垛聯(lián)合支護，其中墩柱緊貼新巷外沿布置，尺寸為φ1 000 mm×3 200 mm，內(nèi)部充填水灰比1∶1高水材料，柱中心距為1 500 mm，木垛緊貼墩柱搭設(shè)，規(guī)格為140 mm×140 mm×1 200 mm的松木，中心距3 000 mm。柱子外側(cè)緊貼新巷邊緣，采用磚墻進行兩巷封隔。

第Ⅳ段(小跨度頂板段)：自第6個硐室至5202工作面回撤通道處，此區(qū)段兩巷交匯較多，巷道頂板跨度在5～7.9 m之間，對此區(qū)段巷道采用墩柱加強支護，墩柱緊貼新巷外沿布置，尺寸為φ1 000 mm×3 200 mm，內(nèi)部充填水灰比1∶1高水材料，柱中心距為1 500 mm，當空巷內(nèi)空間不足以布置墩柱時，巷道跨度已在6 m以內(nèi)，此部分巷道在原有錨網(wǎng)索支護下足以保持穩(wěn)定，且區(qū)段煤柱寬度已超過20 m，故無需加強支護。柱子外側(cè)緊貼新巷邊緣，采用磚墻進行兩巷封隔。

圖2 工作面布置及空巷治理方案Fig.2 Working face layout and abandoned roadway treatment scheme

3 安全驗證

由上可知，邊界空巷與工作面新掘巷道間煤柱寬度最大為5 m，且存在交叉重疊現(xiàn)象，兩巷交叉點處巷道跨度達到了10.2 m，且空巷治理方式由全部充填變更為墩柱+木垛支護。結(jié)合工程實踐經(jīng)驗和實驗室數(shù)據(jù)，此處巷道為兩巷安全穩(wěn)定的最大薄弱點，為驗證新巷掘進及工作面回采過程中兩巷的安全穩(wěn)定，選取此處巷道斷面為目標斷面，對此支護形式下的巷道圍巖穩(wěn)定進行安全性計算。

3.1 墩柱承載能力原型試驗

為確定φ1 000 mm×3 200 mm高強墩柱實際承載能力，現(xiàn)場制備1∶1原型墩柱試件并運至煤炭科學技術(shù)研究院支護設(shè)備實驗室，采用支架承載能力試驗機對試件進行抗載能力試驗，原型墩柱現(xiàn)場試驗及破壞形式如圖3所示，原型墩柱承載 -位移變化曲線如圖4所示。

圖3 原型墩柱實驗室試驗Fig.3 Laboratory test of prototype pier column

由實驗結(jié)果可知，φ1 000 mm×3 200 mm高強墩柱最大承載能力可達15 370 kN，對應(yīng)墩柱變形為55 mm。墩柱破壞形式為頂部剪切破壞，且破壞后的墩柱仍具有較高的殘余強度，可繼續(xù)對巷道進行有效支撐。

圖4 原型墩柱承載 -位移變化曲線Fig.4 Load-displacement curve of prototype pier column

3.2 頂板最大壓力計算

運用自然平衡拱理論計算巷道頂板圍巖壓力，巷道煤幫破壞深度C計算公式如下

(1)

式中，Kcx為工作面回采過程中的巷道應(yīng)力集中系數(shù)，取2.0；γ為巷道上覆巖層平均容重，取25.0 kN/m；H為巷道埋深，取120 m；B為采動影響程度的無因次參數(shù)，取0.85；fy為煤的硬度系數(shù)，取2.3；h為煤層厚度，取3.65 m；φ為煤的內(nèi)摩擦角，取23°。按式(1)計算求出的C值為負時，表示煤層穩(wěn)定；C值為正值時，表示煤體開始發(fā)生破壞。經(jīng)計算得煤幫破壞深度C=2.98 m。

頂板破壞深度b，可根據(jù)下式求出

(2)

式中，a為巷道寬度的一半，取5.1 m；α為煤層傾角，取0°；α為煤層傾角，取2°；ky為巖層穩(wěn)定性系數(shù)，取1.6；fn為巖層硬度系數(shù)，取4.0。

經(jīng)計算得頂板破壞深度b=1.26 m。

頂板最大壓力QH，可根據(jù)下式求出

QH=2γabB

(3)

經(jīng)計算巷道承受的壓力QH=273.1 kN/m。

3.3 巷道穩(wěn)定性分析

由上節(jié)計算可知，φ1 000 mm×3 200 mm高強墩柱最大承載能力可達15 370 kN，跨度為10.2 m的巷道最大頂板壓力為2 786 kN，墩柱承載能力為巷道最大受載的5.5倍。此外，空巷側(cè)布置有木垛補強支護，故此處巷道的安全穩(wěn)定可以得到有效保障。

4 工程量統(tǒng)計及現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 高水材料充填量

共包括3個硐室和127 m長的巷道充填。按圖紙尺寸，3個硐室充填體積分別為V1=7.33×5.46×3≈120.1 m3、V2=7.61×5.19×3≈119.5 m3、V3=6.15×5.28×3≈97.4 m3。

經(jīng)現(xiàn)場選取10個斷面實際測量，巷道平均寬度5.22 m，平均高度3.16 m，因此，127 m長巷道(水灰比4∶1高水材料充填63 m，水灰比3∶1高水材料充填64 m)總充量為V4∶1=5.22×3.16×63≈1 039.2 m3，V3∶1=5.22×3.16×64≈1 055.7 m3。

考慮25%煤壁片幫、巷道超寬富余系數(shù)。共計充填不同水灰比高水材料總體積為

V=1.25×(V1+V2+V3+V4∶1+V3∶1)

=1.25×(120.1+119.5+97.4+1 039.2+1 055.7)

=2 431.9 m3

故總體充填方量為2 431.9 m3，所需高水材料可由下式計算

T=1.25/4(V1+V4∶1)+1.25/3(V2+V3+V3∶1)

=892.6 t

因此，共需高水材料892.6 t。

表1 巷道斷面尺寸統(tǒng)計

4.2 高強墩柱及木垛總量

對157 m長的巷道進行強力墩柱支護，墩柱中心距為1.5 m，除回撤通道附近巷道(約67 m)寬度不夠，無法施工區(qū)域外，共計施工直徑1 000 mm的墩柱60根。

同時，對第Ⅲ段進行木垛加強支護，中心距3 000 mm，則69 m范圍內(nèi)共計施工木垛23垛，木垛平均高度約3.2 m，每個木垛規(guī)格為140 mm×140 mm×1 200 mm的松木46根左右。因此，共需規(guī)格為140 mm×140 mm×1 200 mm的松木1 058根。

4.3 現(xiàn)場應(yīng)用

方案實際施工工期為55 d，施工人數(shù)10人，單班生產(chǎn)，其中充填施工25 d，墩柱及木垛施工30 d?，F(xiàn)場充填及墩柱效果如圖5所示。

巷道治理完畢后，已具備新巷掘進條件，截至2022年8月，新巷自1#聯(lián)巷處向回撤通道方向已掘進80 m，無頂板下沉、幫部破壞現(xiàn)象，已揭露的兩處硐室內(nèi)充填體穩(wěn)定，強度達到設(shè)計值，良好保障了巷道圍巖的安全穩(wěn)定。

圖5 現(xiàn)場施工效果Fig.5 Field construction effect

5 結(jié)論

(1)充填+墩柱分區(qū)聯(lián)合治理技術(shù)將舊有空巷分為4個區(qū)段，分區(qū)段采用充填、墩柱支護、木垛支護等多種支護方式聯(lián)合的方式，對空巷進行了治理，方案實施工期共55 d，經(jīng)新巷掘進初步驗證，應(yīng)用效果良好。此技術(shù)在保障煤炭資源回收效率的基礎(chǔ)上，解決了舊巷工程實際問題，并極大提升了新掘巷道的安全性。

(2)實驗室1∶1原型墩柱抗載試驗結(jié)果表明，φ1 000 mm×3 200 mm的高強墩柱最大承載能力可達15 370 kN，墩柱達到極限載荷后頂部發(fā)生剪切破壞，破壞后殘余強度仍可達10 000 kN以上，支護能力可以實現(xiàn)對巷道的有效支承。

(3)理論計算結(jié)果表明，兩巷交匯處巷道頂板跨度達到最大值10.2 m，此處為兩巷頂板穩(wěn)定最薄弱處，頂板最大壓力為2 786 kN，而墩柱支護強度為頂板壓力的5.5倍，且設(shè)置有木垛支護補強，整體來看，支護強度遠大于頂板載荷，故此方案可以保障巷道圍巖穩(wěn)定。