分层综采工作面超高水材料充填过本层空巷技术研究

2020-07-03张英

煤 2020年6期

张英

(晋煤集团沁秀煤业有限公司，山西沁水 048205)

岳城煤矿现开采3号煤层，煤层平均厚度6.11 m，采用走向长壁自然垮落综合机械化分层开采方法，Ⅲ3308(下)工作面为3号煤三盘区最后一个工作面，地质条件复杂，上层空巷、本层空巷多，上层空巷在上分层回采过程中已采取了措施，并且多次过上层空巷，已有一定的经验，本层空巷为原小煤窑遗留巷道，巷道破坏严重，对回采影响较大。本文针对如何过本层空巷进行研究。

1 工作面概况及中部空巷情况

1.1 工作面概况

Ⅲ3308(下)工作面位于南闵村以西，原南河滩风井以东，贾山村以北，回风立井以南。地面标高747～872 m，盖山厚度342～515 m，平均厚度429 m。回采巷道沿南北方向布置，与东翼辅助运输巷成90°夹角，其中，Ⅲ3215巷为进风巷，安装胶带输送机担负运煤任务，Ⅲ3216巷为回风巷，敷设轨道，担负运料任务(图1)。工作面回采方向为由南向北回采，回采长度为896 m，根据巷道布置分为三个阶段，一阶段工作面长度(切眼一)133.5 m，可采长度168 m；二阶段工作面长度203 m，可采长度345 m；三阶段长度从203 m逐渐增加到218 m(该部分回风巷为利用的已有巷道)，可采长度383 m。回采部分煤层厚度3 m，厚度稳定，普氏系数f=3.5～4，容重1.45 t/m3，煤层顶底板岩性见表1。

1.2 工作面中部空巷情况

Ⅲ3308(下)工作面在回采过程中，需要通过南进风巷、南回风巷、南轨道巷、南配风巷、小窑尾巷等空巷，如图1，这些空巷大部分失修、变形严重。

注：图中画斜线部分为工作面通过的本层空巷

表1 煤层顶底板特征

南进风巷、南回风巷、小窑尾巷以及三个横川为原小煤窑遗留巷道，巷道断面受矿压影响底鼓和片帮严重，顶板破碎，底鼓量大部分在1 000 mm左右，巷道断面尺寸约为3 m×2.5 m，巷道仅采用木质亲口棚支护，棚距大小不一，300～400 mm，木棚木梁断裂、木棚腿折断超过50%。

南轨道巷、南配风巷、Ⅲ33081巷为新施工巷道，采用锚网索支护，沿3号煤层底板布置，巷道断面4 m×3 m，巷道局部两帮鼓出，通过加强支护，可以控制。

Ⅲ13082巷及横川为上分层巷道，上分层工作面回采过程中已经采取了铺网、打木垛等措施，本工作面回采可以保证安全。

因此，工作面回采的难点在于南进风巷、南回风巷、小窑尾巷等原小煤窑遗留巷道，也是本文研究的重点。

2 综采工作面过空巷技术研究

2.1 工作面过空巷基本顶破断特征分析

随着回采进行，工作面与空巷之间的距离越来越小，当距离小至一定范围时，工作面与空巷间的煤柱将不能承担超前采动压力而被压垮，由于工作面前方增加了空巷和煤柱的破坏区域，按照砌体梁理论分析，大面积的上覆岩石没有有效的支撑，砌体梁结构提前发生破坏，从而引起工作面剧烈的矿压显现。

如图2，在工作面与空巷之间的距离足够远时，超前采动应力对工作面和空巷间的煤柱影响为正常状态，即无空巷状态，工作面周期来压步距和压力正常显现，工作面矿压显现正常。随着工作面继续向前推进，工作面与空巷越来越近，煤柱越来越小，当煤柱小到一定程度，不能起到应有的支撑作用时，就会在超前采动压力作用下破坏变形，如图3所示，悬顶面积突然增大，周期来压提前到来，基本顶将提前发生断裂，回转下沉，形成“跨巷长关键块”[1]，此跨巷长关键块比正常关键块多出煤柱宽度和空巷宽度两个距离。突然的、提前的顶板失稳，造成工作面矿压显现剧烈、破坏设备、威胁人身安全。

图2 常规关键块破断模型[1]

图3 跨巷长关键块破断模型[1]

所以，工作面要安全通过空巷，需要对空巷围岩进行强有力的支护。

2.2 过空巷技术方案

根据回采经验，岳城煤矿2016年初回采Ⅲ1309(上)工作面时，通过一条平行工作面宽度7 m的本层空巷，采用搭设木垛的方式进行支护，工作面割透空巷时发生片帮、底鼓、顶板下沉等剧烈矿压现象，近乎发生“亲嘴”现象，通过空巷风险极大。

Ⅲ3308(下)工作面回采时，将连续通过三条平行于工作面的空巷，且空巷顶帮支护强度较弱，因此，选择合适的空巷支护方式对采面顺利通过空巷尤为重要。为保证安全顺利通过空巷，制定如下三套方案。

方案一：搭设木垛进行支护。支护参数：采用直径200 mm、长度1 500 mm板梁搭设木垛，木垛间距2 m，支设在巷道正中。

方案二：锚杆锚索联合支护，根据矿井施工锚杆巷道经验，采用施工参数：锚杆间距1 m，排距1 m，锚索间距1.8 m，排距2 m。

方案三：选择一种材料对空巷进行充填，从而解决矿山压力问题，常见的有矸石置换充填、超高水材料充填、膏体充填等。根据调查，超高水材料充填的工艺较为简单，成本低，适用性强，所以本文选择超高水材料作为充填材料。

2.3 数值模拟对比分析

为了比较三种方案的效果，通过数值模拟，从垂直与水平位移、围岩应力分布、塑性区分布三方面进行了对比分析，其中，三种方案的顶板下沉量、底鼓量、两帮移近量模拟结果如图4所示。

由图4可以看出，木垛支护只是对顶板起支撑作用，对两帮没有起作用，受采动影响后变形量最大；锚杆支护对两帮有一定支撑作用，相较于采动压力远远不足；超高水材料充填不但对顶板起支撑作用，对两帮同样起到支撑作用，限制其变形。采用超高水材料充填工作面空巷，充填体与巷道的顶板接触较好，对空巷的充填效果佳，可有效控制巷道的变形，防止工作面在推进过程中空巷变形过大而导致工作面过空巷遇阻，同时采用超高水材料充填，巷道的应力集中系数较低，不会出现大变形等现象。

图4 数值模拟位移结果

另外，采用充填方式过空巷，当工作面割过空巷时可直接切割充填体，防止煤壁片帮，可安全快速过空巷。

综上所述，选择超高水材料充填空巷的方式过Ⅲ3308(下)工作面空巷。

3 现场应用及效果

3.1 高水材料充填施工

考虑到施工的经济效益，工作面通过空巷的超高水材料充填水灰比(水∶超高水材料)确定为8∶1。

为了保证充填效果、固结体接顶良好，根据各巷道及联络巷底板标高，划分为若干区段，自里向外逐段进行充填，如图5所示，充填顺序为Ⅲ33081巷—小窑尾巷1—小窑尾巷2—一横川—三横川—二横川—南进风巷(西侧)—南回风巷—南进风巷(东侧)。

各段之间需砌筑止浆墙，从而防止浆液流动，这里选用砖墙，厚度240 mm，止浆墙砌筑前，先敷设充填管路，本次选用普通胶管，将胶管吊挂在顶板上，出口位于充填区段最高点。管路布置好以后，砌筑止浆墙，并在墙体顶部留观察孔，大小为0.2 m×0.2 m，充填满后，断开充填管时，要用棉纱堵住充填管，并将观察孔用砖和水泥封堵。

2017年12月13日至2018年2月1日，南进风巷、南回风巷及联络横川累计充填量5 546 m3，693 t。

图5 Ⅲ3308(下)工作面中部空巷区段充填区域示意

3.2 工作面回采通过空巷区域

2018年5月份工作面回采安全通过中部空巷充填区域，过程中没有出现顶板破碎、片帮等现象，但是出现了一些新问题：一是工作面水大，超高水材料充填体承压后会泌水；二是充填体具有一定粘度，采煤机截割过程中，充填体会黏在滚筒上，影响机组运行；三是原巷道支护的木腿、杂物、板梁、铁器等，随采煤机截割不断进入刮板输送机。为解决以上问题，回采过程中采取了工作面伪斜推进、配煤、加强排水、人工检出杂物等措施，保证了工作面正常推进。