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(lèi)型的工作面，在回采過(guò)程中常會(huì)遇到各類(lèi)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(guò)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(lái)隱患[2]. 針對(duì)上述難題，國(guó)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(guò)空巷技術(shù)，通過(guò)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(duì)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(duì)工作面回采過(guò)程中不同類(lèi)型的空巷，提出了合適的過(guò)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(kāi)采3#—15#煤層，證載能力為1.20 Mt/a. 礦井采用斜井開(kāi)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(kāi)采。3#煤經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期開(kāi)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(pán)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(guò)順槽巷道與中央運(yùn)輸大巷、六盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷連通，停采線(xiàn)距開(kāi)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(zhǎng)度為101.8 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為269.7 m；Ⅱ段工作面長(zhǎng)度為112.9 m，推進(jìn)長(zhǎng)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(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤法。礦井水文地質(zhì)類(lèi)型為中等，為低瓦斯礦井，煤塵無(wú)爆炸性，無(wú)自燃傾向性。3#煤層特征見(jiàn)表1.

表1 3#煤層特征表

2) 空巷概況。

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)可知，3800工作面內(nèi)部共有53條空巷，總長(zhǎng)度約6 105.9 m.根據(jù)空巷層位，空巷可分為3類(lèi)：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(pán)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(pán)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(lèi)：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(cè)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(dòng)影響多年，巷道變形嚴(yán)重，局部存在垮落變形現(xiàn)象?？障飻嗝媸疽鈭D見(jiàn)圖1.

圖1 空巷斷面示意圖

2 工作面開(kāi)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)。回采時(shí)，超前壓力可能對(duì)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(duì)安全生產(chǎn)造成威脅。

3) 3800工作面內(nèi)部存在各種類(lèi)型的空巷，工作面回采過(guò)程中需要針對(duì)不同類(lèi)型空巷提出有針對(duì)性的過(guò)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?；夭?，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(pán)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(pán)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(pán)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(kāi)切眼刷大，利用八盤(pán)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(jiàn)表2. 優(yōu)化后的3800大巷煤柱回收工作面巷道布置見(jiàn)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(duì)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(jiàn)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(duì)煤幫的支護(hù)阻力，MPa，取0.4；

x2—巷道窄煤柱幫錨桿有效長(zhǎng)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?chē)煽諈^(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(duì)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(guò)空巷技術(shù)實(shí)施方案

3800工作面內(nèi)部存有各類(lèi)空巷，根據(jù)空巷層位不同大致可分為3類(lèi)：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(duì)上述3類(lèi)空巷提出了不同的技術(shù)實(shí)施方案，具體如下：

1) 對(duì)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(jiàn)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(shù)脂和催化劑，體積比為1∶1；注漿泵為風(fēng)動(dòng)注漿泵，注漿壓力不小于5 MPa，注漿鉆孔長(zhǎng)度為3 m，最終漿液流動(dòng)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(cè)工作面支架液壓系統(tǒng)泄露程度和位置，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)維修，確保過(guò)空巷期間支架支撐力處于正常工作狀態(tài)。

2) 對(duì)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(duì)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?chē)鷰r體膠結(jié)完整，形成整體。

為解決回采工作面通過(guò)傾斜空巷過(guò)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(dòng)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(mǎn)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(wèn)題。傾斜巷道充填示意圖見(jiàn)圖5.

圖5 傾斜巷道充填示意圖

4) 針對(duì)支護(hù)困難的空巷或已冒落的空巷等異?？障?，采用“注漿全部充填”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(huì)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(mǎn)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(duì)支護(hù)困難的空巷或已冒落的空巷等異?？障?，設(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(jiàn)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(guò)短注漿孔充填最近的空巷，再通過(guò)長(zhǎng)注漿孔充填稍遠(yuǎn)的空巷。通過(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)程[8]，見(jiàn)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(wú)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(guò)渡連接，注漿鋼管與混合器間也采用高壓膠管過(guò)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(hào)系統(tǒng)。注漿點(diǎn)與注漿硐室相隔較遠(yuǎn)，設(shè)置信號(hào)聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，一般可采用電話(huà)與燈光(或鈴)信號(hào)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(chǔ)量共計(jì)82.31萬(wàn)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(yíng)業(yè)收入4.94億；同時(shí)回采3800工作面將延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限1.2年，為延深配采下組煤爭(zhēng)取了更長(zhǎng)的建設(shè)時(shí)間，其經(jīng)濟(jì)效益可觀(guān)。

2) 實(shí)施效果。

目前趙莊煤業(yè)3800工作面已經(jīng)回采過(guò)半。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況，工作面在通過(guò)空巷過(guò)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(guò)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(duì)回采面煤質(zhì)影響較小。

實(shí)踐證明，針對(duì)不同類(lèi)型的空巷，通過(guò)采取不同的且有針對(duì)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(guò)空巷，有效減少了空巷對(duì)回采面的影響。