金明乾，尹勝波

(安陽永安賀駝煤礦有限公司，河南 安陽 455000)

0 引 言

隨著煤炭資源的持續(xù)開采，很多礦井相繼進入深部開采，進而出現(xiàn)了高溫、高壓、巷道維護難等一系列突出的問題[1-2]。由于中國的煤炭資源大多采用地下方式開采，從工作面回采煤炭資源的角度考慮，工作面上下平巷采用沿底掘進的方式布置時，不會造成三角煤損失[3]。但當(dāng)煤層厚度較大且煤的強度較低時，采用這種方式將造成托頂煤巷道，給巷道支護帶來困難，同時，還可能出現(xiàn)巷道內(nèi)瓦斯集聚問題。當(dāng)煤層賦存瓦斯含量較高時，巷道沿底掘進過程中破壞煤層原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，造成煤層微裂隙內(nèi)賦存的瓦斯等氣體釋放到巷道內(nèi)，增大巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛龋瑯O易造成瓦斯超限[4]。相對于沿底掘進的巷道，沿頂板掘進回采巷道，頂板更容易維護，且容易避免巷道內(nèi)瓦斯超限，但需解決沿頂掘進后巷道頂板的支護和厚煤層的高效回采問題。大量的工程應(yīng)用表明，在厚煤層沿頂掘進采用錨網(wǎng)索等主動支護控制巷道頂板變形，利于提高圍巖自身的承載能力，利于巷道穩(wěn)定。徐磊等[5-6]通過研究認為，采用“三高”錨桿支護巷道，利于巷道穩(wěn)定。該方面的研究已有很多成功的現(xiàn)場工程實踐可以參考[7-9]。但對于斷面尺寸超過15 m2，應(yīng)力增高系數(shù)大于3的大斷面、強動壓回采巷道，圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)明顯向深部擴展，破碎區(qū)的深入，塑性區(qū)的擴展造成巷道圍巖內(nèi)部的支護體長期處于流變狀態(tài)，導(dǎo)致錨桿(索)的錨固能力大打折扣[10-12]。在超高回采巷道支護上，傳統(tǒng)支護方式支護效果差、巷道變形大、嚴重影響安全生產(chǎn)[13-15]。

賀駝煤礦結(jié)合自身巷道掘進和維護特點，1112工作面上平巷采用沿底板掘進架棚支護，而下平巷采用沿頂掘進錨網(wǎng)支護，這樣造成工作面下端頭存在底煤問題，底煤厚約4 m，造成了資源浪費。針對厚煤層沿頂掘進后，如何提高煤炭資源采出率問題，張盛等[16]提出了厚煤層沿頂掘進并沿底回采技術(shù)。因此，賀駝煤礦為了增加煤炭資源的采出率，從自身產(chǎn)能、采掘接替情況出發(fā)，在1112工作面下平巷超前開挖回采底煤，這樣就出現(xiàn)了巷道超高問題，巷道頂部需要采用木垛充填。但木垛充填工作量大，效率低，更重要的難題是井字木垛在護頂過程中接頂不充分、承載能力低且易變形，造成支撐下平巷頂部木垛的單體支柱工作阻力小、受力不均等。井字木垛極易發(fā)生傾倒，護頂效果差，易誘發(fā)頂板事故，對工作面的安全回采構(gòu)成嚴重威脅。鑒于此，結(jié)合賀駝煤礦的實際生產(chǎn)條件，提出了適應(yīng)性更強、護頂效果更好的袋式充填頂板支護方式。

1 工程概況

1.1 工作面地質(zhì)條件

1112工作面位于11采區(qū)南翼，東部鄰近設(shè)計的1114工作面，西部為11102工作面采空區(qū)，南部為賀駝煤礦與鶴煤四礦礦井邊界及防隔水煤柱界，北部鄰近總回風(fēng)下山保護煤柱界。工作面開采二1煤層，平均開采厚度為7.35 m，1112工作面煤層總體呈單斜構(gòu)造，平均煤層傾角14°，傾向長度122 m，走向長度740 m，工作面面積達84 327 m2。工作面煤層及頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 工作面煤層頂、底板情況Table 1 Conditions of roof and floor of coal seam in working face

1.2 工作面巷道布置

1112工作面下平巷設(shè)計斷面為矩形，沿煤層頂板布置，掘進寬度4.7 m，回采幫高3.4 m，煤柱幫高2.8 m。為提高資源采出率，回采期間采取超前工作面30 m挖底的方式對巷道底煤進行回采，挖底至煤層底板，平均挖底深度約4 m，挖底后對巷道頂部用無機材料進行充填，充填高度約4 m，充填期間用單體支柱配合π形梁支護，充填后巷道高度約3 m。

2 袋式充填頂板支護技術(shù)

2.1 技術(shù)方案

2.1.1 袋式充填頂板支護技術(shù)概述

該技術(shù)的實現(xiàn)方式為在工作面超前支承壓力影響范圍內(nèi)的巷道中部搭建充填體支撐平臺，平臺采用單體支柱支撐，平臺上放置充填袋，充填袋頂面懸掛在巷道頂板上，充填袋自由面?zhèn)燃友b擋桿、金屬網(wǎng)、木板(防止充填袋脹破)，往充填袋內(nèi)充入空氣使之膨脹至完全貼合充填空間，之后用高速制漿機往里充填漿液。其材料為雙組份無機材料，由A、B兩種無機礦粉材料組成，具備完全阻燃，無毒無腐蝕性、早強、速凝、材料消耗量小、可遠距離泵送等優(yōu)點，該材料能夠適用于不同的水灰比，水灰比可以在3∶1～8∶1調(diào)整，可以根據(jù)現(xiàn)場需要選用合適的水灰比。

2.1.2 最佳充填時機

充填作業(yè)滯后巷道挖底作業(yè)的時間不同，巷道圍巖的變形破壞也不一樣，充填加固效果也有差異。充填時間越早，充填體起作用也越早，圍巖強度損失越少，對圍巖變形的抑制能力也越高，巷道越穩(wěn)定。及早充填圍巖本身強度相對較高，為使?jié){液固結(jié)體的承載能力和變形能力都和圍巖相適應(yīng)，就要求充填體有更高的強度與變形性能。而滯后時間過長，圍巖強度損失極大，充填護頂?shù)男Ч^差，因此，開始注漿的時間也不能太滯后，應(yīng)保證圍巖本身有足夠的強度。綜上述，應(yīng)在圍巖變形速度開始變慢時進行注漿支護。圍巖變形破壞的各個階段具備不同的充填適宜性(圖1)。

圖1 圍巖變形破壞過程Fig.1 Deformation and failure process of surrounding rock

OA段，圍巖變形加速階段，自承載能力強，該階段充填需要材料強度較高，變形性能好；AB段，為變形速度變緩階段，圍巖有一定自承能力，充填效果較好，為最佳充填時機；BC段，圍巖自承能力損失殆盡，破壞程度最大，難以再靠對其充填來恢復(fù)強度和維持巷道的穩(wěn)定。

2.1.3 充填體支撐平臺的搭建

1)使用?12.5 mm鋼絲繩配合繩卡將4根長度不小于3 m紅松木分別固定在架棚巷道兩側(cè)，每側(cè)固定2根，分段進行固定，每段距離800 mm，固定高度不小于3 m。

2)采用長度不小于4.2 mπ形梁依次搭設(shè)在固定好的紅松木上，π形梁與紅松木之間使用8號鐵絲進行固定，π形梁間距為600 mm，每次至少打設(shè)10棚，每10棚為1個充填平臺。

3)π形梁上鋪設(shè)金屬網(wǎng)將底部進行封閉。金屬網(wǎng)規(guī)格：網(wǎng)孔70 mm×70 mm，金屬網(wǎng)搭接處采用鐵絲連接，搭接處和固定的長度均不小于200 mm。

4)金屬網(wǎng)鋪設(shè)結(jié)束后，在金屬網(wǎng)上鋪設(shè)阻燃網(wǎng)片，阻燃網(wǎng)片規(guī)格：2.3 m×1.2 m，網(wǎng)片必須展開，呈魚鱗狀鋪設(shè)，阻燃網(wǎng)片搭接處用鐵絲或者阻燃網(wǎng)繩進行連接，搭接長度不小于200 mm。

平臺搭設(shè)完畢后，木板保持水平，嚴禁歪斜。平臺高度不得超過2.0 m，否則平臺上人員必須使用保險帶。平臺上最多允許同時停留2名施工人員。

2.1.4 充填袋設(shè)計

充填袋采用防水布制成，其承重規(guī)格為140 g/m2，充填袋的尺寸(長×寬×高)為5 000 mm×4 200 mm×6 400 mm(可根據(jù)需要進行改動)。充填袋應(yīng)具有足夠的強度，有抗靜電、阻燃的性能，以符合煤礦安全規(guī)程的要求，加工接縫要結(jié)實牢靠，形狀滿足每次充填及吊掛的要求，設(shè)計1個進料口，2個排氣口，進料口和排氣口均設(shè)置在靠近巷道高幫側(cè)。充填袋設(shè)計如圖2所示。

圖2 充填袋Fig.2 Filling bag

2.1.5 吊掛充填袋

1)吊掛充填袋時，施工人員必須系安全帶。充填袋上部要充分展開和整齊放置，確保上部掛鉤固定在相應(yīng)的位置，從而避免在充填過程中出現(xiàn)壓袋現(xiàn)象。

2)為防止頂部錨索扎破充填袋，在巷道最高點打設(shè)“井”字木垛，打設(shè)木垛使用圓木規(guī)格為：?180 mm×2 000 mm圓雜木，木垛用8號鐵絲或? 12.5 mm鋼絲繩配合繩卡固定或用廢舊編織袋(充填料袋)將錨索、錨桿進行包裹，并用鐵絲扎緊。

3)為防止幫部錨索或錨桿扎破充填袋，用廢舊編織袋或者充填料袋子將錨索、錨桿進行包裹。并用鐵絲進行扎緊。

4)用8號鐵絲制作成的掛鉤將充填袋吊掛至頂板，掛鉤間距為50 mm。進料口和排氣口均設(shè)置在靠近巷道高幫側(cè)。

5)吊掛充填袋結(jié)束后，在π形梁下方打設(shè)單體支柱支護，一梁四柱，單體支柱排距600 mm。如果單體支柱超高時，可在π形梁下打設(shè)“井”字木垛，打設(shè)木垛使用圓木規(guī)格為：? 180 mm×2 000 mm圓雜木。打設(shè)木垛時，必須按照先支后拆的原則。單體支柱承壓過大時，需打設(shè)走向抬棚加強支護，長1 200 mm鉸接梁配合單體液壓支柱，一棚一柱。單體支柱必須懸掛防倒繩。

6)在充填袋自由面?zhèn)仁褂弥睆?.325 cm鋼管、直徑13.33 cm風(fēng)水管(長度為5 000 mm)和長度不小于2 000 mm木板進行防護。將鋼管套入風(fēng)水管內(nèi)橫向打設(shè)，風(fēng)水管(鋼管)間距不大于300 mm。在鋼管內(nèi)側(cè)加裝木板，木板縱向打設(shè)，木板間距不大于500 mm。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，可適當(dāng)調(diào)整風(fēng)水管(鋼管)間距、木板間距。進行防護時，先對巷道兩幫打設(shè)放置風(fēng)水管(鋼管)的肩窩，肩窩深度不小于400 mm，肩窩寬度要不小于200 mm。風(fēng)水管(鋼管)與金屬網(wǎng)之間的距離不小于200 mm。待風(fēng)水管(鋼管)打設(shè)完畢后，將木板放置在金屬網(wǎng)和風(fēng)水管(鋼管)之間，并使用鐵絲將木板固定在金屬網(wǎng)上，同時用木楔子打設(shè)在放置風(fēng)水管(鋼管)的肩窩內(nèi)，使風(fēng)水管(鋼管)和木板固定在一起。在木板與充填袋之間鋪設(shè)金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)規(guī)格：網(wǎng)孔70 mm×70 mm，金屬網(wǎng)搭接處采用鐵絲連接，搭接處和固定的長度均不小于200 mm。吊掛的金屬網(wǎng)底部與π形梁上的金屬網(wǎng)用鐵絲進行連接。

2.2 充填工藝

采用高速制漿充填系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為回采巷道頂板袋式充填項目配套系統(tǒng)，簡單、可靠、充填速度快，充填系統(tǒng)如圖3所示。

該高速制漿充填系統(tǒng)與目前常用的往復(fù)式雙液注漿泵相比具有以下優(yōu)點：

1)可實現(xiàn)定量、快速加水。對于各類注漿、充填工程，漿液水灰比對充填質(zhì)量和成本影響較大，材料采用包裝袋包裝，容易計量，但加水卻不容易計量，完全靠工人自覺，且多數(shù)通過小直徑高壓膠管供水，供水速度較慢。研發(fā)的礦用氣控定量水箱，具備自動控制功能，且可根據(jù)需要調(diào)整供水量，同時能夠?qū)崿F(xiàn)供水和攪拌平行作業(yè)，提高了供水效率。

圖3 高速制漿充填系統(tǒng)Fig.3 High-speed pulping and filling system

2)攪拌效率高。注水時間一般不超過20 s，人工加料60 s，純攪拌時間20 s，排漿20 s，從加水?dāng)嚢?，到排漿完成約需120 s，遠快于普通攪拌機，且漿液混合更勻，攪拌效果更好。

3)具備攪拌和泵送一體化功能。設(shè)備具備攪拌和泵送一體化功能，通過氣動旋轉(zhuǎn)閥操控換向。

4)充填能力大。泵送充填能力達30～50 m3/h，遠高于一般注漿泵。

5)系統(tǒng)簡單、投資少。系統(tǒng)均為常規(guī)設(shè)備構(gòu)成，投資較液壓泵或氣動注漿泵少，且設(shè)備可靠，配件維護費用低。

2.3 現(xiàn)場充填效果檢驗

觀測目的：單體支柱起支撐充填體的作用，單體支柱所受壓力變化能直接反映充填體來自頂板的垂直應(yīng)力變化，通過觀測單體支柱壓力變化，分析充填體穩(wěn)定性、充填體與巷道接觸情況，單體支柱工作壓力達標(biāo)情況。

測點布置：下平巷超前工作面20 m以外，選取2個充填體，共布置6臺單體支柱測壓儀，每個充填體安裝3臺，其編號為1、2、3、4、5、6號。

觀測結(jié)果分析：通過對一系列數(shù)據(jù)匯總分析，可以得到工作面超前支承壓力分布、單體支柱支護阻力情況，從而分析工作面來壓期間的充填體穩(wěn)定性。

由于工作面推進速度較慢，頂板充填進度慢，單體支柱壓力觀測周期較長，現(xiàn)選取第1個充填體下的3個單體支柱測壓儀記錄的數(shù)據(jù)并結(jié)合端頭支架壓力數(shù)據(jù)作為觀測結(jié)果，如圖4所示。

由單體支柱應(yīng)力曲線可知單體支柱最小支護強度12.3 MPa，最大支護強度25.7 MPa。3個單體支柱壓力相差較大，可能原因有：①單體支柱初撐力不同，當(dāng)來壓受力時，壓力呈現(xiàn)不一致現(xiàn)象；②挖底后底板預(yù)留煤體厚度不一致造成底板強度不同，當(dāng)來壓受力時，造成單體支柱壓力差別較大；③3個單體支柱在巷道內(nèi)不同位置，頂板壓力不同，造成單體支柱壓力差別較大。

通過單體支柱應(yīng)力分析得出巷道袋式充填頂板支護技術(shù)能夠有效提高單體支柱支護強度，從而保證巷道內(nèi)底煤的正?；夭晒ぷ鳌Ｓ蓤D4可知，工作面超前支承壓力峰值在工作面前方7～9 m處。

通過現(xiàn)場觀察，巷道頂板對充填體有擠壓作用，充填體接頂效果好，充填體強度足夠，沒有出現(xiàn)大變形，充填體沒有出現(xiàn)損壞的情況，充填體強度足夠。因此，巷道袋式充填頂板支護技術(shù)能夠有效提高單體支柱支護強度，從而保證巷道底煤的正?；夭晒ぷ鳌?/p>

3 經(jīng)濟效益分析

下平巷沿頂布置，工作面液壓支架壓煤28架，每米丟失煤炭約120 t。工作面剩余可采長度270 m。若對下平巷進行頂部木垛支護可挖底2.5 m，充填材料護頂可挖底3.5 m，木垛支護每米可多回采煤炭資源57 t，共可多回采15 390 t，按照噸煤單價950元計算，可增加利潤1 462萬元。袋式充填護頂每米可多回采煤炭資源約90 t，共可多回采24 300 t，可增加利潤2 308萬元。袋式充填頂板支護相比木垛支護多增加利潤846萬元。

4 結(jié) 論

1)通過現(xiàn)場充填效果檢驗，巷道應(yīng)力峰值處充填體完整性好，并未有擠壓變形的情況出現(xiàn)。巷道頂板對充填體有擠壓作用，充填體接頂效果好，充填體強度足夠，沒有出現(xiàn)大變形，頂板下沉量較小對頂板有較好的支撐作用，充填體無損壞。因此，該充填支護技術(shù)能有效提高單體支柱工作阻力。

2)超高回采巷道采用袋式充填頂板支護技術(shù)，解決了采用木垛充填工作量大、工人勞動強度大、效率低、接頂不充分、承載能力低且易變形、單體支柱支護強度小穩(wěn)定性差等一系列問題。采用新型注漿充填材料實施頂部充填支護有效改善了區(qū)段巷道頂部的整體性和穩(wěn)定性。

3)超高回采巷道采用袋式充填頂板支護技術(shù)有效解決了厚煤層開采中，沿頂錨網(wǎng)支護回采巷道快速掘進后巷道頂板的支護和高效回采問題。