大巷煤柱回收工作面過空巷優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙晉朋

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 澤州天安宏祥煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048000)

大巷煤柱回收工作面作為一種特殊類型的工作面，在回采過程中常會遇到各類空巷，包括同層空巷、穿層傾斜空巷以及硐室等[1]. 工作面在通過這些巷道時(shí)，常常伴隨有超前支撐壓力增大，巷道變形嚴(yán)重，工作面支架壓架、倒架等現(xiàn)象，給礦井安全生產(chǎn)帶來隱患[2]. 針對上述難題，國內(nèi)外煤礦工作者提出了不同的解決思路。其中，常采用的措施是“錨網(wǎng)索加強(qiáng)支護(hù)+密集點(diǎn)柱”相結(jié)合的方式，這種方式適合同層空巷使用，實(shí)用性較強(qiáng)[3]；吳士良等[4]提出了“小煤柱等壓”過空巷技術(shù)，通過理論分析“等壓”參數(shù)，得出了等壓小煤柱的合理寬度和等壓時(shí)間；肖龍正等[5]提出了采用超高水材料注漿充填空巷的可行性，并確定了相關(guān)的充填工藝和充填體力學(xué)參數(shù)。

基于上述研究成果，對趙莊煤業(yè)3800大巷綜放工作面巷道布置進(jìn)行優(yōu)化，并針對工作面回采過程中不同類型的空巷，提出了合適的過空巷技術(shù)實(shí)施方案。

1 工作面布置及空巷概況

該礦井田面積為19.744 1 km2，批準(zhǔn)開采3#—15#煤層，證載能力為1.20 Mt/a. 礦井采用斜井開拓方式，共布置4個(gè)井筒，分別為主斜井、3#煤副斜井、新副斜井和東山回風(fēng)斜井。目前，礦井實(shí)施3#、9#煤層配采，15#煤層未開采。3#煤經(jīng)過長期開采基本枯竭，處于末采階段。

1) 工作面布置及資源條件。

3800綜放工作面為3#煤八盤區(qū)大巷煤柱回收工作面，東西兩側(cè)均為采空區(qū)，北側(cè)為朱趙山回風(fēng)立井保護(hù)煤柱，南側(cè)通過順槽巷道與中央運(yùn)輸大巷、六盤區(qū)回風(fēng)巷連通，停采線距開切眼約1 480 m. 受東西兩側(cè)不同采空區(qū)范圍影響，3800工作面共分兩段布置，其中，Ⅰ段工作面長度為101.8 m，推進(jìn)長度為269.7 m；Ⅱ段工作面長度為112.9 m，推進(jìn)長度為1 210.1 m.

3800工作面埋深約290 m，工作面范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層、陷落柱等構(gòu)造，煤層傾角約1°，采用傾斜長壁綜采放頂煤采煤法。礦井水文地質(zhì)類型為中等，為低瓦斯礦井，煤塵無爆炸性，無自燃傾向性。3#煤層特征見表1.

表1 3#煤層特征表

2) 空巷概況。

經(jīng)過實(shí)測可知，3800工作面內(nèi)部共有53條空巷，總長度約6 105.9 m.根據(jù)空巷層位，空巷可分為3類：a) 沿煤層底板的空巷(共25條，分別為回風(fēng)順槽、膠帶進(jìn)風(fēng)順槽與八盤區(qū)膠帶大巷之間連通的空巷)。b) 沿煤層頂板的空巷(共1條)。c) 傾斜穿層的空巷(共27條，分別為八盤區(qū)輔運(yùn)大巷與其他3條順槽之間連通的空巷)。根據(jù)巷道與采煤工作面之間的位置關(guān)系，空巷也可分為3類：a) 平行于工作面的空巷(共33條)。b) 垂直于工作面的空巷(共6條)。c) 斜交于工作面的空巷(共14條)。

經(jīng)探測可知，3800工作面內(nèi)的空巷多為矩形斷面，寬度在4.0 m左右，高度在2.5 m左右，采用“錨網(wǎng)索噴”支護(hù)方式，空巷受采動影響多年，巷道變形嚴(yán)重，局部存在垮落變形現(xiàn)象。空巷斷面示意圖見圖1.

圖1 空巷斷面示意圖

2 工作面開采難點(diǎn)及重點(diǎn)

1) 3800工作面內(nèi)部存在大量巷道，充分利用既有巷道，減少順槽巷道掘進(jìn)工程量，最大限度地提高資源回收率，是該工作面優(yōu)化布置的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

2) 工作面處于趙莊煤業(yè)向斜的軸部，工作面標(biāo)高低于兩側(cè)采空區(qū)?；夭蓵r(shí)，超前壓力可能對兩翼采空區(qū)密閉造成破壞，導(dǎo)致采空區(qū)積水進(jìn)入工作面，對安全生產(chǎn)造成威脅。

3) 3800工作面內(nèi)部存在各種類型的空巷，工作面回采過程中需要針對不同類型空巷提出有針對性的過空巷技術(shù)方案，才能保證工作面安全回采。

3 工作面優(yōu)化布置方案

1) 工作面優(yōu)化布置方案。

3800工作面內(nèi)部沿推進(jìn)方向現(xiàn)有3條大巷，分別為膠帶大巷(沿底板布置)、輔運(yùn)大巷(沿頂板布置)和回風(fēng)大巷(沿底板布置)。為提高煤炭資源回收率，減少掘進(jìn)巷道工程量和運(yùn)輸環(huán)節(jié)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)新掘巷道與既有巷道的有序銜接，保證工作面正常回采，經(jīng)前期方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定如下工作面巷道優(yōu)化布置方案。

3800工作面采用“三進(jìn)一回”的四巷布置方式，其中，八盤區(qū)回風(fēng)大巷作為工作面的膠帶進(jìn)風(fēng)順槽，擔(dān)負(fù)煤炭運(yùn)輸和進(jìn)風(fēng)任務(wù)；八盤區(qū)輔運(yùn)大巷擔(dān)負(fù)工作面輔助運(yùn)輸和輔助進(jìn)風(fēng)任務(wù)；八盤區(qū)膠帶大巷擔(dān)負(fù)工作面的輔助進(jìn)風(fēng)任務(wù)；沿西翼采空區(qū)邊界新掘一條回風(fēng)順槽(沿3#煤底板布置)，擔(dān)負(fù)工作面回風(fēng)任務(wù)。工作面開切眼刷大，利用八盤區(qū)大巷之間11#聯(lián)絡(luò)巷，沿3#煤底板布置。優(yōu)化后的工作面布置方式相比于原設(shè)計(jì)方案，可以減少3次主運(yùn)輸轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)，減人提效；同時(shí)，將沿空巷道作為回風(fēng)順槽，僅擔(dān)負(fù)回風(fēng)任務(wù)，即使巷道底鼓變形也不影響巷道使用[6].

工作面主要巷道斷面特征見表2. 優(yōu)化后的3800大巷煤柱回收工作面巷道布置見圖2.

表2 工作面主要巷道斷面特征及支護(hù)形式表

圖2 優(yōu)化后的3800大巷煤柱回收工作面巷道布置圖

2) 小煤柱沿空巷道布置。

3800工作面為孤島工作面，東西兩側(cè)均為采空區(qū)，為提高資源回收率同時(shí)減少應(yīng)力集中對沿空巷道的影響，回風(fēng)順槽采用小煤柱沿空掘巷方式。根據(jù)極限平衡理論，合理的窄煤柱寬度B的計(jì)算公式如下，合理煤柱寬度尺寸示意圖見圖3.

圖3 合理煤柱寬度尺寸示意圖

計(jì)算公式:

B=x1+x2+x3

式中:

x1—沿空掘巷窄煤柱破碎區(qū)寬度，m；

m—煤層厚度，m；

φ0—煤層界面的內(nèi)摩擦角，(°)，取30；

C0—煤層界面的黏聚力，MPa，取5；

k—應(yīng)力集中系數(shù)，取3；

γ—巖層平均容量，t/m3，取2.5；

H—巷道埋深，m，取290；

Px—對煤幫的支護(hù)阻力，MPa，取0.4；

x2—巷道窄煤柱幫錨桿有效長度,m，取2.0；

x3—按0.3(x1+x2)計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，窄煤柱理論寬度不應(yīng)小于5.08 m. 結(jié)合趙莊煤業(yè)3800工作面周圍采空區(qū)范圍分布情況，確定窄煤柱寬度尺寸最小應(yīng)為6 m，既能保證巷道布置在塑性承載區(qū)，又能防止采空區(qū)瓦斯和水的涌入，保證安全生產(chǎn)[7].

另外，新掘順槽施工期間，應(yīng)重新砌筑采空區(qū)密閉；采煤工作面回采期間，應(yīng)超前工作面對兩翼采空區(qū)密閉進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，防止采空區(qū)積水進(jìn)入采煤工作面影響安全生產(chǎn)。

4 過空巷技術(shù)實(shí)施方案

3800工作面內(nèi)部存有各類空巷，根據(jù)空巷層位不同大致可分為3類：底板空巷(平行、垂直、斜交于工作面)、頂板空巷(平行、垂直以及斜交于工作面)和傾斜空巷。針對上述3類空巷提出了不同的技術(shù)實(shí)施方案，具體如下：

1) 對于底板空巷，采用“錨索加強(qiáng)支護(hù)+木支柱支護(hù)、注漿固結(jié)修復(fù)和支架支撐力保障”的綜合技術(shù)實(shí)施方案。

a) 工作面推進(jìn)至距底板空巷50 m時(shí)，完成空巷內(nèi)的“錨索加強(qiáng)支護(hù)+木支柱支護(hù)”作業(yè)，同時(shí)結(jié)合巷道圍巖情況，采用煤壁及頂板注漿固結(jié)修復(fù)措施。

b) “強(qiáng)力錨索+木支柱支護(hù)”支護(hù)參數(shù)。頂錨桿采用MSGLW-335/22×2400高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，預(yù)緊力矩不低于140 N·m，間排距為800 mm×1 000 mm，錨索選用SKP17.8-1/1860-8000，矩形布置，每排兩根，間排距為2 000 mm×2 000 mm，預(yù)緊力不低于200 kN. 幫錨桿采用d20 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，預(yù)緊力矩不低于80 N·m.

當(dāng)空巷與工作面切眼斜交時(shí)，采用一梁三柱，排距1 m，柱距1.5 m，梁與工作面切眼平行；當(dāng)空巷與工作面切眼平行時(shí)，采用一梁四柱，排距1 m，柱距0.8 m，梁與工作面切眼垂直。不能支設(shè)木棚時(shí)支設(shè)戴帽點(diǎn)柱。頂板壓力增大時(shí)，木棚棚距縮小至0.8 m，木點(diǎn)柱間距縮小至0.6 m. 在空巷口架設(shè)雙棚加強(qiáng)支護(hù)，空巷內(nèi)的支柱穿木柱鞋。

空巷支護(hù)斷面圖見圖4.

圖4 空巷支護(hù)斷面圖

c) 注漿參數(shù)。注漿材料為馬麗散樹脂和催化劑，體積比為1∶1；注漿泵為風(fēng)動注漿泵，注漿壓力不小于5 MPa，注漿鉆孔長度為3 m，最終漿液流動擴(kuò)散范圍為5 m；空巷煤幫每排布置2個(gè)注漿孔，孔間距為1.0 m×5.0 m，上位孔距頂板1 m，傾角10°.

d) 實(shí)時(shí)監(jiān)測工作面支架液壓系統(tǒng)泄露程度和位置，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)維修，確保過空巷期間支架支撐力處于正常工作狀態(tài)。

2) 對于頂板巷道，采用“錨索加強(qiáng)支護(hù)+木垛接頂”的技術(shù)實(shí)施方案。

a) 工作面推進(jìn)至距頂板空巷50 m時(shí)，完成空巷內(nèi)“錨索支護(hù)+木垛接頂”的支護(hù)作業(yè)。

b) 頂錨桿采用MSGLW-335/22×2400高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，預(yù)緊力距不低于140 N·m，間排距為800 mm×1 000 mm，錨索選用SKP17.8-1/1860-8000，矩形布置，每排兩根，間排距為2 000 mm×2 000 mm，預(yù)緊力不低于200 kN. 幫錨桿采用MSGLW-335/22×2000高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，預(yù)緊力距不低于140 N·m.

木支柱支護(hù)接頂支護(hù)方式同底板空巷。

3) 對于傾斜巷道，采用“充填煤和水泥漿”的技術(shù)實(shí)施方案，保證充填后的傾斜空巷與周圍巖體膠結(jié)完整，形成整體。

為解決回采工作面通過傾斜空巷過程中所存在的頂板管理困難、安全可靠性差和影響煤質(zhì)的技術(shù)難題，提出了采用“充填煤和水泥漿”的方式，先在傾斜空巷兩端設(shè)置密閉墻，保證不泄露，然后利用移動式弧形塑料溜槽將煤體拋至空巷底部，由下向上逐層充填，待充填率達(dá)到90%時(shí)，停止充填煤體，換做向空巷內(nèi)注入水泥漿，保證煤泥漿與圍巖膠結(jié)成整體，共同控制圍巖，凝結(jié)后的膠結(jié)體最終強(qiáng)度可達(dá)到0.5 MPa以上，滿足充填空巷的強(qiáng)度要求，同時(shí)顯著改善工作面回采空巷的煤質(zhì)問題。傾斜巷道充填示意圖見圖5.

圖5 傾斜巷道充填示意圖

4) 針對支護(hù)困難的空巷或已冒落的空巷等異?？障铮捎谩白{全部充填”的技術(shù)實(shí)施方案。

a) 采前注漿充填。

工作面前方的空巷頂板受煤壁超前支撐壓力影響會提前垮落，冒落矸石將全部或部分充填空巷，嚴(yán)重影響工作面推進(jìn)。采用“注漿全部充填”的方式，既能填滿頂板冒落空洞控制圍巖，又能膠結(jié)破碎巖石形成新的煤壁和假頂，有效控制工作面頂板。

b) 注漿方式。

針對支護(hù)困難的空巷或已冒落的空巷等異?？障铮O(shè)計(jì)采用分層遞進(jìn)多輪注漿方式。分層注漿方式示意圖見圖6，截割層為工作面煤壁底部2.0 m，充填承載層為工作面假頂4.5 m，總的充填膠結(jié)體高度共計(jì)6.5 m.

圖6 分層注漿方式示意圖

充填空間分為上下兩層，第一層為充填承載層，注漿孔終孔高度定為7 m左右，漿液水灰比為6∶1；第二層為截割層，注漿孔終孔高度定為2 m左右，漿液水灰比為7∶1. 該技術(shù)方案采取由近及遠(yuǎn)依次遞進(jìn)充填空巷的方式，即先通過短注漿孔充填最近的空巷，再通過長注漿孔充填稍遠(yuǎn)的空巷。通過分層遞進(jìn)多輪注漿方式，實(shí)現(xiàn)煤壁穩(wěn)定和人工假頂完整，確保工作面順利通過舊采空巷冒落區(qū)。

c) 注漿孔布置。

注漿孔的間距為15 m，即工作面兩側(cè)順槽內(nèi)每隔15 m打一個(gè)注漿孔，注漿孔高度為1.2 m左右，注漿孔的仰角為6°～12°. 注漿孔布置圖見圖7.

圖7 注漿孔布置圖

d) 注漿工藝流程。

注漿工藝流程包括準(zhǔn)備、裝料、加水、攪拌、注漿、清洗等過程[8]，見圖8.

圖8 注漿工藝流程圖

e) 注漿系統(tǒng)。

注漿管路。由KJR32高壓膠管和d57 mm(2英寸)無縫鋼管或焊接鋼管組成。輸料管路有兩趟，均從泵站到充填點(diǎn)，分別輸送甲料、乙料。注漿泵與鋼管之間用高壓膠管過渡連接，注漿鋼管與混合器間也采用高壓膠管過渡連接，混漿管亦為高壓膠管。

清水管路。為使注漿連續(xù)作業(yè)，每個(gè)攪拌桶應(yīng)有單獨(dú)清水供應(yīng)管，管徑不小于2英寸。

信號系統(tǒng)。注漿點(diǎn)與注漿硐室相隔較遠(yuǎn)，設(shè)置信號聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，一般可采用電話與燈光(或鈴)信號兩路聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。

注漿設(shè)備。包括成孔設(shè)備、注漿設(shè)備、攪拌設(shè)備和其他設(shè)備等。其中，鉆機(jī)選用風(fēng)鉆，鉆孔d42 mm；注漿泵使用ZBSB-148～23/6-185型礦用雙液注漿泵；攪拌機(jī)選用低速機(jī)械式攪拌機(jī)，攪拌桶有效容積不小于400 L.

5 經(jīng)濟(jì)效益分析及實(shí)施效果

1) 經(jīng)濟(jì)效益分析。

3800大巷回收工作面設(shè)計(jì)可采儲量共計(jì)82.31萬t，按照目前3#煤售價(jià)600元/t計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)企業(yè)營業(yè)收入4.94億；同時(shí)回采3800工作面將延長礦井服務(wù)年限1.2年，為延深配采下組煤爭取了更長的建設(shè)時(shí)間，其經(jīng)濟(jì)效益可觀。

2) 實(shí)施效果。

目前趙莊煤業(yè)3800工作面已經(jīng)回采過半。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測情況，工作面在通過空巷過程中，支架工作阻力比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)急劇增大現(xiàn)象；頂板空巷和底板空巷由于采用“錨索加強(qiáng)支護(hù)+木支柱支護(hù)”的方式，巷道出現(xiàn)兩幫變形及底鼓，但均不超過400 mm，處于可控范圍；采用“充填煤和水泥漿”的傾斜空巷，充填體與空巷頂板膠結(jié)較好，未出現(xiàn)垮落和較大變形，且對回采面煤質(zhì)影響較小。

實(shí)踐證明，針對不同類型的空巷，通過采取不同的且有針對性的技術(shù)實(shí)施方案，空巷圍巖基本得到有效控制，同時(shí)工作面可順利通過空巷，有效減少了空巷對回采面的影響。