龍華煤礦淺埋綜采工作面過(guò)上覆空巷充填技術(shù)研究

齊曉華，王 力，王冬冬，張 利

（陜西煤業(yè)化工集團(tuán) 孫家岔龍華礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300）

0 引言

淺埋煤層綜采工作面過(guò)空巷一直是煤礦開(kāi)采未能很好解決的技術(shù)難題[1-4]，空巷易造成工作面頂板應(yīng)力顯著集中、圍巖變形、壓架等礦壓異常問(wèn)題，嚴(yán)重影響工作面安全開(kāi)采[5-6]。根據(jù)空巷與綜采工作面的空間層位關(guān)系，可將其分為3 類(lèi)：平行于工作面、斜交于工作面和垂直于工作面[7]。傳統(tǒng)過(guò)空巷[8-11]采用密集支柱或木垛加強(qiáng)對(duì)空巷頂板的支護(hù)；采用“錨桿+錨索+鋼帶”加固空巷頂板和（玻璃鋼+塑料網(wǎng)片）加固空巷兩幫；在空巷內(nèi)填充浮煤、高水速凝材料；調(diào)整工作面與空巷夾角，減少每次割煤揭露空巷的長(zhǎng)度。

龍華煤礦20112 綜采工作面前方空巷與工作面為垂直斜交方式，且空巷具有20°的坡度，支護(hù)體易受超前采動(dòng)應(yīng)力影響而失穩(wěn)。工作面通過(guò)時(shí)，空巷作為工作面頂板，要求空巷內(nèi)外部支護(hù)具有極好的穩(wěn)定性。因此，本文針對(duì)龍華煤礦20112 工作面地質(zhì)采礦條件，研究工作面過(guò)上煤層空斜巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式、高水速凝材料全部充填技術(shù)，以保證工作面安全、順利、快速的通過(guò)空斜巷。

1 概 況

1.1 20112 工作面概況

龍華煤礦20112 綜采工作面位于201 盤(pán)區(qū)西翼，開(kāi)采2-2 煤層，工作面埋深120～ 140 m，上覆基巖厚度為53～96 m，松散層厚度為0～40 m。20112 工作面是典型的淺埋超長(zhǎng)孤島綜采工作面，采高3.2 m，走向推進(jìn)距離2 089 m，傾向長(zhǎng)度393 m，煤層傾角0～3°。基本頂為粉砂巖，厚度16.5～17.4 m，直接頂為中粗類(lèi)砂巖，厚度0.98～12.47 m。工作面采用全部垮落法一次采全高采煤法，選用ZY10000/20/40D 二柱掩護(hù)式液壓支架對(duì)工作面頂板進(jìn)行支護(hù)。

1.2 空斜巷位置及斷面情況

20112 綜采工作面在推進(jìn)前方存在1 條101 盤(pán)區(qū)回風(fēng)斜巷，如圖1 所示。101 盤(pán)區(qū)回風(fēng)斜巷為拱形巷道，與工作面垂直相交，巖巷開(kāi)口位于2 號(hào)煤101 盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷860 m 處，斜巷長(zhǎng)度124 m，掘進(jìn)時(shí)先由+6°掘進(jìn)5.325 m，再開(kāi)始+20°坡度掘進(jìn)，巷道凈寬4.2 m，凈高3.6 m，拱高2.1 m，如圖2所示。

圖1 20112 工作面與上覆空斜巷空間位置關(guān)系Fig.1 The spatial position relationship between No.20112 Face and overlying empty inclined roadway

圖2 101 盤(pán)區(qū)回風(fēng)斜巷斷面Fig.2 Section of No.101 panel return air inclined roadway

回風(fēng)斜巷頂板采用錨噴支護(hù)，使用φ20 mm×2 100 mmⅡ級(jí)螺紋鋼錨桿，錨桿間、排距為800 mm×800 mm，菱形布置，每根錨桿使用3 節(jié)MSZ35/35 型樹(shù)脂藥卷，托盤(pán)規(guī)格150 mm×150 mm×8 mm，托盤(pán)采用Q235 材質(zhì)。使用φ15.24 mm×6 500 mm 鋼絞線錨索，錨索間、排距2 400 mm×1 600 mm，菱形布置。每根錨索使用3 節(jié)MSZ35/35 型樹(shù)脂藥卷，一塊16 號(hào)槽鋼托板，長(zhǎng)300 mm。巷道頂、幫均掛φ6 mm 的Q235 鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格為100 mm×100 mm，要求網(wǎng)片鋪設(shè)平直，接茬處搭接100 mm，并每隔200 mm，用12 號(hào)鉛絲扭結(jié)。

1.3 空斜巷的開(kāi)采危害性分析

20112 工作面推采過(guò)程中，空巷的存在干擾了工作面超前支承應(yīng)力的正常傳遞，導(dǎo)致空巷周?chē)鷳?yīng)力分布狀態(tài)復(fù)雜化。

（1）當(dāng)工作面推采至空斜巷時(shí)，受回采和超前采動(dòng)應(yīng)力影響，空斜巷有可能出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)劇烈，導(dǎo)致空斜巷頂板失穩(wěn)局部周期性冒落，上部空巷首先受到破壞；隨著工作面的推進(jìn)，頂板基巖厚度逐漸減小，有可能出現(xiàn)空斜巷上覆巖層急劇下沉，造成空斜巷底板破斷，工作面產(chǎn)生沖擊壓力，致使支架失穩(wěn)傾倒或壓死支架。

（2）當(dāng)工作面推采至斜巷交叉口與空巷貫通之前，空巷和回采工作面之間的煤柱容易突然失穩(wěn)，此時(shí)僅依靠錨桿、錨索很難控制空巷頂板的破斷，此時(shí)，頂板極有可能在架前冒落，影響工作面液壓支架的正常通行，且冒落瞬間具有一定的沖擊性，嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全。

2 空巷支護(hù)方式的確定

由于工作面前方存在超前支承壓力，往往會(huì)在工作面臨近時(shí)造成空巷頂板垮塌、片幫、大范圍冒頂，甚至壓死支架等災(zāi)害。目前國(guó)內(nèi)預(yù)空巷主要有如下方式進(jìn)行頂板支護(hù)：木垛或單體柱、垛式支架、墩柱、膏體或高水材料充填。

（1）木垛或木柱支護(hù)。

木材屬于彈性模量較低的材質(zhì)，受壓時(shí)容易產(chǎn)生大變形，木點(diǎn)柱太高，細(xì)長(zhǎng)比太小、支護(hù)強(qiáng)度較弱，巷道斷面大、埋深大、地應(yīng)力大，頂板來(lái)壓時(shí)容易發(fā)生脆性折斷，甚至在工作面臨近空巷時(shí)，超前支承壓力即可能壓斷木柱等支護(hù)體，造成空巷大變形，一旦發(fā)生該現(xiàn)象，則需頂板重新注漿加固，成本高，嚴(yán)重影響工作面推進(jìn)速度。

（2）垛式支架支護(hù)。

垛式支架型號(hào)多樣，護(hù)頂面積大，能夠承載頂板的大變形，支護(hù)強(qiáng)度高，支護(hù)阻力不降低。缺點(diǎn)是垛式支架增加副斜井提升運(yùn)輸量，租賃費(fèi)用高；垛式支架為重型設(shè)備，搬運(yùn)、安裝存在擠傷人等安全風(fēng)險(xiǎn)，拆垛式支架需要反復(fù)支撐頂板，容易造成對(duì)頂板已有支護(hù)體的破壞。

（3）強(qiáng)力墩柱支護(hù)。

強(qiáng)力墩柱適用于井下現(xiàn)場(chǎng)制作，采煤機(jī)可割碎，利用皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)出，便于安裝和拆卸，施工作業(yè)機(jī)械化程度高。強(qiáng)力墩柱所用的材料是各種形式的充填材料灌漿，是由遠(yuǎn)端泵送到需要支護(hù)的區(qū)域，通常是被泵入到一個(gè)充填袋中。充填袋通過(guò)懸掛在頂板上形成一個(gè)空間來(lái)注滿充填材料，從而形成支撐柱。

（4）高水材料（膏體）充填支護(hù)。

高水速凝材料是一種雙料特種水泥混合材料，是近年來(lái)礦山充填應(yīng)用較為成功的材料之一。該材料由A 料、B 料兩種材料組成，以重量配合比1∶1 使用，其中A 料是以硫鋁酸鹽水泥熟料為基材，以懸浮劑及少量超緩凝劑混磨而成，B 料是由石灰、石膏、懸浮劑和復(fù)合速凝早強(qiáng)劑等混磨而成。根據(jù)不同的充填強(qiáng)度需求，可選擇不同的水灰比。施工時(shí)將兩種材料分別攪拌，配制成水固比1.0～4.0 的漿體，經(jīng)過(guò)管道輸送到待充區(qū)中，當(dāng)兩種材料匯聚后迅速凝固，對(duì)巷道頂板進(jìn)行有效支護(hù)。

龍華煤礦20112 工作面前方空巷與工作面為垂直斜交方式，工作面通過(guò)時(shí)，空巷作為工作面頂板，這就要求空巷內(nèi)外部支護(hù)具有極好的穩(wěn)定性。木垛、木點(diǎn)柱支護(hù)不能滿足支護(hù)要求，垛式支架支護(hù)又不能滿足設(shè)備回收要求，新型強(qiáng)力墩柱支護(hù)強(qiáng)度較大，但由于空巷具有20°的坡度，一方面施工困難，另一方面墩柱穩(wěn)定性易受超前采動(dòng)應(yīng)力影響。因此，綜合考慮上述4 種巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，龍華煤礦20112 工作面空巷選擇采用全部充填方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，保證20112 工作面安全順利通過(guò)空巷。

3 回風(fēng)空斜巷充填實(shí)施方案

3.1 垮落帶高度計(jì)算

根據(jù)龍華煤礦201 盤(pán)區(qū)地質(zhì)說(shuō)明書(shū)，盤(pán)區(qū)頂板實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為31.4～ 34.7 MPa，屬中硬強(qiáng)度頂板。則頂板垮落高度為：

帶入計(jì)算得，20112 工作面垮落帶高度為7.5～11.9 m。

根據(jù)工作面鉆孔柱狀結(jié)構(gòu)，煤層直接頂板厚度5.1 m，以粉砂巖、中砂巖和炭質(zhì)泥巖為主，老頂厚度12.08 m，中砂巖，灰白色，以石英為主，次為長(zhǎng)石及暗色巖屑，分選性差，磨圓度中等，局部含菱鐵質(zhì)結(jié)核。因此，空斜巷充填時(shí)，需將直接頂范圍內(nèi)充填即可，充填高度5.1 m 時(shí)，對(duì)應(yīng)空巷斜長(zhǎng)16.4 m，保留1.2 倍富余系數(shù)，充填長(zhǎng)度取20 m，對(duì)應(yīng)充填高度6.8 m，滿足工作面推采要求。

3.2 高水材料充填工藝

充填材料單漿可保持12 h 不凝固，雙液混合后可在30 min 內(nèi)初凝，由于高水材料可遠(yuǎn)距離輸送，充填泵站可靈活布置。高水材料充填工藝如圖3 所示。

圖3 高水材料充填工藝流程Fig.3 Filling process of high water material

如圖3 所示，將高水充填材料A、B 按1∶1的比例配合使用，A、B 料單獨(dú)攪拌，經(jīng)兩條管路分別輸送，在待充區(qū)域附近經(jīng)混流器混合均勻后充入采空區(qū)，凝固形成充填體支撐頂板。

3.3 回風(fēng)斜巷充填方案

回風(fēng)斜巷斷面13.2 m2，充填斜長(zhǎng)20 m，考慮充填斜角等，初步估算充填量410 m3。針對(duì)回風(fēng)斜巷特點(diǎn)，其具備一定的角度實(shí)施充填較為有利，為仰斜充填。首先將巷口充滿，一旦充填管路發(fā)生堵管等故障，將影響后續(xù)充填。為保證充填施工順利進(jìn)行，采用分段充填方式，將回風(fēng)斜巷分為3 段（圖4）。第1 段水平長(zhǎng)度3 m，傾斜長(zhǎng)度5 m，充填體積179 m3；第2 段傾斜長(zhǎng)度5 m，充填體積99 m3；第3 段傾斜長(zhǎng)度20 m，充填體積132 m3。

根據(jù)高水材料特性并參考工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮井下施工條件、工作面超前支承應(yīng)力的作用效果、漿液固結(jié)強(qiáng)度及材料消耗等因素，確定空巷充填材料的水灰比為4∶1，材料終凝強(qiáng)度3 MPa。

4 回風(fēng)空斜巷充填效果分析

20112 超長(zhǎng)孤島工作面的空斜巷采用高水速凝材料充填技術(shù)，有效控制住了巷道的失穩(wěn)下沉。工作面的推進(jìn)速度快，過(guò)空斜巷時(shí)間短，降低工作面頂板冒頂?shù)目赡苄?。工作面距空斜?2 m 周期來(lái)壓，距空巷3 m 停機(jī)等壓，工作面壓力升高47.5 MPa，等壓結(jié)束后，向前推進(jìn)一刀煤，工作面支架壓力普遍降低到正常壓力28.0 MPa。等壓效果良好，使工作面過(guò)空巷期間頂板壓力正常，沒(méi)有出現(xiàn)冒頂、壓死支架等事故。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)20112 工作面回風(fēng)斜巷特點(diǎn)，將斜巷分為3 段進(jìn)行充填，保證了充填管路的可靠性，通過(guò)設(shè)置排氣管，監(jiān)測(cè)空巷內(nèi)充填液面位置，實(shí)現(xiàn)了充填材料用量的預(yù)估，避免材料浪費(fèi)，有利于現(xiàn)場(chǎng)施工管理。

（2）現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)應(yīng)用表明，高水材料充填是解決工作面空巷支護(hù)問(wèn)題的有效手段之一。空巷充填后，可實(shí)現(xiàn)工作面的安全回采，采用4∶1 高水材料時(shí)，空巷被充滿填實(shí)，工作面通過(guò)時(shí)，充填體可作為假頂使用，有效保證工作面的安全順利通過(guò)。

（3）高水材料充填處理工作面空巷問(wèn)題，具備施工速度快、效率高、支護(hù)效果好等特點(diǎn)，具有廣泛應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。