孤島工作面過(guò)空巷安全技術(shù)研究

申明明

（霍州煤電晉北能化有限責(zé)任公司， 山西 靜樂 035100）

0 引言

煤炭開采過(guò)程揭露的與采面平行、斜交或者垂直布置的斜巷，給采面煤炭回采帶來(lái)一定制約[1-2]。特別是采面為孤島工作面時(shí)，采面開采范圍內(nèi)應(yīng)力集中、開采引起的動(dòng)壓顯現(xiàn)更為明顯，極其容易導(dǎo)致空巷垮落?，F(xiàn)階段礦井普遍通過(guò)強(qiáng)化空巷圍巖支護(hù)強(qiáng)度方式確保采面過(guò)空巷安全，具體措施包括人工搭設(shè)木垛、全空巷充填或者補(bǔ)打單體等方式，部分礦井甚至采用跳采過(guò)空巷方式[3-5]。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，人工搭設(shè)木垛存在支護(hù)強(qiáng)度偏低，當(dāng)空巷位于采動(dòng)影響顯著區(qū)時(shí)容易出現(xiàn)木垛壓塌、壓垮情況，同時(shí)采面液壓支架也容易發(fā)生歪架、倒架等問題；使用單體支護(hù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致部分單體無(wú)法回收，導(dǎo)致資源浪費(fèi)且當(dāng)空巷底板為承載能力較差的軟巖時(shí)，不僅單體在壓力作用下出現(xiàn)鉆底情況而且無(wú)法有效支撐空巷頂板；空巷全段充填方式雖然可滿足圍巖控制需要，但是存在施工成本過(guò)高、充填材料使用量大、過(guò)空巷期間產(chǎn)生大量廢料等問題；跳采方式不僅耗時(shí)長(zhǎng)而且會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)[6-9]。根據(jù)采面開采現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇一種合適的過(guò)空巷技術(shù)不僅可提升過(guò)空巷安全性以及推進(jìn)速度，而且可降低過(guò)空巷成本。本文就以山西某礦3508 孤島工作面為例，分析采面過(guò)空巷時(shí)采取的安全技術(shù)，以期為礦井采面過(guò)空巷工作開展積累參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

山西某礦3508 孤島工作面位于南翼三盤區(qū)中部，開采5 號(hào)煤層，設(shè)計(jì)走向590 m、切眼長(zhǎng)度180 m。采面回采的5 號(hào)煤厚3.0m、傾角1°～9°，埋深305m，頂板為硬度4.4 的砂巖、底板為粗砂巖。采面東側(cè)及西側(cè)分別為開采完畢的3506 及3510 采空區(qū)，北側(cè)為采區(qū)邊界，南側(cè)為采區(qū)集中運(yùn)輸、軌道機(jī)回風(fēng)巷。3508孤島工作面采用U 型通風(fēng)方式，設(shè)計(jì)的回采巷道凈寬4.5 m、凈高3.0 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式。

1.2 空巷概況

在3508 孤島工作面開采范圍內(nèi)存在一條與切眼平行的空巷，該空巷沿著5 號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，矩形斷面，空巷全長(zhǎng)180 m、凈寬4.0 m、凈高3.0 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式，全斷面鋪設(shè)金屬網(wǎng)，具體支護(hù)斷面如圖1 所示，巷道支護(hù)參數(shù)如表1 所示。由于3508 采面工作面為孤島工作面，采面開采范圍內(nèi)存在一定程度應(yīng)力集中，空巷在圍巖應(yīng)力及采動(dòng)壓力等作用下原有支護(hù)體系容易失效，導(dǎo)致圍巖垮落，給采面回采帶來(lái)一定安全風(fēng)險(xiǎn)。

表1 空巷圍巖支護(hù)參數(shù)

圖1 空巷支護(hù)參數(shù)（單位：mm）

2 過(guò)空巷安全技術(shù)措施

實(shí)現(xiàn)空巷加固是確保采面安全過(guò)空巷關(guān)鍵。若采用單體或者木垛方式，不同程度存在資源浪費(fèi)、支護(hù)強(qiáng)度不足等問題；采用全巷充填方式，雖可滿足空巷圍巖加固需要，但是耗時(shí)長(zhǎng)且支護(hù)費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)性不佳且無(wú)法滿足3508 孤島工作面高效推進(jìn)需要。由于3508 孤島工作面開采的5 號(hào)煤層埋深平均305 m，埋深相對(duì)較淺、地應(yīng)力不顯示，空巷支護(hù)體系需要應(yīng)對(duì)圍巖應(yīng)力及采動(dòng)壓力影響。本文就結(jié)合以往研究成果以及其他礦井類似情況空巷支護(hù)體系，提出采用充填支柱對(duì)空巷進(jìn)行加固。

2.1 充填支柱材料性能

在空巷內(nèi)布置的充填支柱主要起到維護(hù)空巷頂板穩(wěn)定作用，結(jié)合其他礦井過(guò)空巷時(shí)泵送支護(hù)材料，在3508 孤島工作面充填支柱內(nèi)材料為雙液充填材料，該材料具有早強(qiáng)、速凝優(yōu)點(diǎn)，膠結(jié)強(qiáng)度以及凝結(jié)時(shí)間等可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要調(diào)節(jié)。充填材料部分優(yōu)點(diǎn)為：

1）材料單獨(dú)存儲(chǔ)時(shí)，6 h 內(nèi)不會(huì)沉淀、沁水；

2）材料混合后，5 min 之內(nèi)即失去流動(dòng)性、5～15 min 內(nèi)即可完全固化；

3）材料在（0.5～2）∶1 范圍內(nèi)水灰質(zhì)量比可調(diào)節(jié)且漿液結(jié)石率均為100%；

4）漿液完全混合2 h 后抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到8～15 MPa。具體不同水灰質(zhì)量比條件下雙液充填材料在抗壓強(qiáng)度變化情況如表2 所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，將雙液充填材料水灰質(zhì)量比確定為1.1∶1。

表2 不同水灰質(zhì)量比條件下雙液充填材料在抗壓強(qiáng)度變化

2.2 充填支護(hù)布置方式

超前3508 孤島工作面300 m 以外即使用泵送支柱對(duì)空巷頂板進(jìn)行支護(hù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況在空巷內(nèi)設(shè)計(jì)2 排支柱，支柱直徑均為800 mm，支護(hù)高度與巷道高度一致。兩排支護(hù)與巷幫間距1 000 mm、兩排支柱排距為2 000 mm、支柱間間距為2 000 mm，兩排支柱布置呈三花眼形式，具體泵送支柱布置情況如圖2所示。

圖2 泵送支柱布置示意圖（單位：mm）

泵送充填支柱充填時(shí)使用的設(shè)備有注漿泵、攪拌機(jī)（高速及低速）、水箱等。具體充填系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖3 所示。采用的注漿泵充填能力為6.0 m3/h，預(yù)計(jì)耗時(shí)30 d 即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)空巷充填。

圖3 充填系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖

2.3 空巷圍巖控制效果

空巷泵送支柱施工完成后現(xiàn)場(chǎng)情況如圖4 所示。在空巷內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)對(duì)采面回采時(shí)空巷圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖5 所示。隨采面與空巷間距不斷縮小，空巷圍巖變形均呈先增加后穩(wěn)定趨勢(shì)。當(dāng)采面與空巷間距為25 m 時(shí)，空巷內(nèi)頂?shù)装寮跋飵妥冃瘟坎粩嘣龃?；?dāng)采面與空巷間距為10 m 時(shí)，空巷頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?95 mm、巷幫收斂量為197 mm；隨采面與空巷間距不斷縮小，空巷圍巖變形量雖繼續(xù)增大但是增加速度緩慢。表明采用泵送充填支柱方式可實(shí)現(xiàn)空巷圍巖變形有效控制。

圖4 泵送支柱施工完成后現(xiàn)場(chǎng)

圖5 空巷圍巖變形量

在采面回采過(guò)空巷期間，頂板始終穩(wěn)定，僅在靠近空巷20 m 以內(nèi)出現(xiàn)深度350 mm 的片幫問題，片幫不會(huì)影響采面生產(chǎn)。在采面揭露空巷后，空巷頂板有一定下沉，但是空巷支護(hù)體系仍可穩(wěn)定，確?？障飮鷰r穩(wěn)定。在過(guò)空巷期間，空巷內(nèi)泵送支柱始終保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)傾倒、失穩(wěn)等問題。

3 結(jié)論

1）3508 孤島工作面回采的5 號(hào)煤層埋深均值305 m，采面開采期間地應(yīng)力顯現(xiàn)不明顯，但是由于采面為孤島工作面，開采動(dòng)壓影響較為顯著。為確保采面過(guò)空巷安全，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況提出采用泵送支柱方式支護(hù)強(qiáng)化空巷圍巖支護(hù)。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，泵送支柱選用雙液充填材料，該充填材料具備膠結(jié)時(shí)間以及抗壓強(qiáng)度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，混合膠結(jié)后材料抗壓強(qiáng)度可達(dá)到8～15 MPa；在空巷內(nèi)布置2 排充填支柱，支柱直徑800 mm，排距2 000 mm、間距3 000 mm。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，采面在過(guò)空巷期時(shí)充填支柱始終穩(wěn)定，空巷圍巖變形量雖然在采動(dòng)影響下圍巖變形量有所增大但變形量在允許范圍內(nèi)；采面在過(guò)空巷期間頂板始終保持穩(wěn)定，僅煤壁出現(xiàn)小范圍片幫情況，片幫深度在300 mm 以內(nèi)。3508 孤島工作面采用泵送支護(hù)對(duì)空巷進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)體系可確?？障飮鷰r穩(wěn)定。