凤凰山矿煤柱回收工作面过空巷充填技术

2020-07-18贾兆祥

煤 2020年7期

贾兆祥

(晋城煤业集团，山西晋城 048006)

1 工程概况

晋城煤业集团凤凰山矿二水平煤柱回收工作面开采9号煤层，煤层平均厚度1.5 m，倾角0～6°，平均3°，含1层0.08 m厚的泥岩夹矸，煤层直接顶为石灰岩，厚度0.12～0.45 m，平均0.24 m，基本顶为细砂岩，厚度2.63～8.27 m，平均5.31 m，直接底岩性为泥岩，厚度0.40～2.84 m，平均1.65 m，老底岩性为石灰岩，厚度0.3～0.92 m，平均0.61 m。工作面采用综合机械化采煤方法，采高为1.65 m，工作面一阶段长度113.95 m、回采长度652.79 m；二阶段长度70.11 m、回采长度360.57 m。

二水平煤柱回收工作面回采范围内有IX1316回风横川、五横川及IX1314回风横川等10条空巷，空巷断面形状为拱形和矩形，巷内的支护方式为锚网梁支护或锚网喷支护，具体工作面位置及空巷分布形态如图1所示。

图1 工作面位置及空巷分布位置示意

2 空巷围岩变形机理

回采工作面过空巷时，主要存在两方面的问题，一方面为基本顶出现超前破断，空巷被上覆岩层冒落下来的矸石所充填，进而致使工作面在回采推进至空巷区域时，无法正常推进通过；另一方面随着回采工作面的推进使得工作面与空巷间的宽度逐渐减小，当工作面与空巷间的宽度小于临界宽度时，煤柱会不断积蓄能量，易使煤柱出现突变失稳现象，影响工作面的正常回采推进。

根据理论研究与工程实践结果[1-2]，空巷基本顶超前破断是由于煤柱出现失稳，致使顶板岩层失去了下部的支撑作用，基本顶所受的应力超过其极限的抗拉强度，从而出现了超前破断，且基本顶的破断位置主要与其自身的厚度、容重、强度和覆岩载荷等因素有关。

基于上述分析可知，为防止基本顶发生超前破断，需保障煤柱的稳定，应使空巷内部的支护阻力大于其所需最低支护阻力，以防止工作面与空巷间煤柱的失稳。现结合二水平煤柱回收工作面内空巷的赋存特征，确定采用空巷充填的方式，保障上方基本顶岩层的稳定，确保工作面正常回采通过空巷区域。

3 空巷充填方案与效果

3.1 充填方案

1) 充填材料。在保障技术满足要求的情况下，基于经济考虑，本次空巷充填作业的材料选用高水材料，材料由A和B两种材料组成，两种材料的使用比例为1∶1，确定材料的水灰比为4∶1，初凝时间为1 h；该水灰比下材料胶结24 h后的单轴抗压强度能够达到4.2 MPa[3-4]，可有效支撑空巷顶板。

2) 充填方法。根据二水平煤柱回收工作面内空巷的赋存条件，充填方法采用分段阻隔充填法[5-6]，如图2所示。该方法先根据空巷特征将巷道划分为若干个区段，分别在每个区段分割线处构筑止浆墙，根据二水平煤柱回收工作面特征，设置分段长度为15 m，止浆墙体的厚度为1.2 m，在一个止浆墙体构筑完成后1 d，进行空巷区域的充填作业，随后依次根据划分分段进行筑墙与充填作业。

图2 分段阻隔充填法示意

3) 充填系统。在进行充填作业时，充填材料在井下进行搅拌制备，使用搅拌器将A、B两种浆液搅拌均匀，通过A泵、B泵及两趟高压管路进行浆液的输送，在出浆口的位置处将浆液进行混合，插入充填区域内进行充填作业，具体流程如图3所示。

3.2 效果分析

工作面液压支架型号为ZZa4000-10/21型普通支架，支架的额定工作阻力为4 000 kN，工作面泵站压力为32 MPa，支架初撑力为26 MPa。在工作面过空巷期间进行支架压力的监测作业，现以工作面推进通过IX1316回风横川空巷时的支架压力进行分析，具体如图4所示。

由图4可知，随着工作面距离空巷距离的减小，液压支架的压力逐渐增大，在工作面距离空巷50 m的位置处，支架的压力为29.4 MPa，随着回采作业的进行，支架的压力开始逐渐增大，当工作面推进至空巷区域时，液压支架的压力达到最大值，为30.5 MPa，增长了3.7%，此时支架压力与泵站提供的压力之间仍存在着约4.7%的富裕系数。当工作面推进通过空巷后，随着回采的进行，支架的压力逐渐降低，大致回采推进过空巷50 m的位置时，支架压力恢复正常状态，表明空巷的存在对其前后50 m范围内围岩体的应力分布产生影响。另外结合回采期间的现场观测结果可知，回工作面过其余空巷期间，支架受力同样较为正常，支架无安全阀开启的现象，煤壁未出现大范围的片帮现象。基于上述分析可知，工作面采用高水材料进行空巷充填开采取得了良好的效果。