古城煤矿长综放无煤柱工作面过空巷方案研究

2020-08-11康志鹏

煤 2020年8期

李鹏，康志鹏

(1.潞安集团古城煤矿，山西长治 046100；2.中国矿业大学，江苏徐州 221008)

为了提高煤炭采出率，减少资源损失，煤矿往往进行无煤柱开采，但是沿采空区进行留巷时，沿空巷道围岩稳定性控制是一个难题。综放工作面开采强度大，采动影响强烈，严重影响工作面正常回采[1-5]。而且留巷巷道断面较大，其围岩稳定机理需要进一步研究认识，尤其是综放沿空留巷顶煤稳定性和综放沿空留巷大变形控制机理及技术。复杂条件下长综放无煤柱工作面安全回采已成为当前矿井亟待解决的技术难题[6-10]。本文以潞安矿区古城煤矿N1305工作面为研究背景，结合古城矿地质条件以及现有的设备，给出了工作面过空巷的不同方案，分析了不同方案的优缺点，以探寻N1305工作面过空巷的最优方案。

1 工程概况

N1305工作面地面标高为+915～+936 m，埋深503.8～581.4 m，开采对象为山西组中下部3号煤层，煤层赋存稳定，平均厚6.32 m，煤层倾角为6°，属于近水平煤层，且无较大地质异常及陷落柱，煤层顶板相对稳定。工作面可采长度为2 175 m，切眼长度为357 m。

N1305工作面采用“三进一回”偏“Y”型通风方式，即N1303沿空留巷、N1305辅助运输巷、N1305胶带运输巷三条巷道为进风巷，N1306回风巷为回风巷。N1303工作面沿空留巷全长2 305 m，与N1305辅助运输巷之间净煤柱为50 m。N1305工作面在回采期间要通过N1305辅助运输巷以及过N1303沿空留巷与N1305辅助运输巷之间的联络巷，为了回收两巷之间的50 m煤柱，故工作面回采期间要过空巷回采。N1305工作面布置如图1所示。

图1 N1305工作面布置

2 空巷支护情况及回采过空巷存在的问题

2.1 空巷支护情况

2.1.1 N1303沿空留巷支护情况

巷道净宽4 m，净高3.6 m，净断面14.4 m2。顶板全断面(包括柔膜墙体)每排6根锚杆，间排距900 mm×900 mm，两肩角锚杆与垂线成20°外斜布置，距巷帮为500 mm，其余锚杆全部垂直顶板布置；锚索间排距1 600 mm×900 mm，每排布置3根，中间一根垂直打设，其余两根与垂线成20°外斜布置。煤帮一侧布置4根锚杆，间排距1 000 mm×900 mm，其中帮上部锚杆上斜10°布置，距顶200 mm，帮下部锚杆下斜10°布置，距底400 mm，柔膜帮一侧墙体内布置4根对拉锚杆，间排距900 mm×900 mm，锚杆全部水平布置。

N1303沿空留巷支护情况如图2所示。

图2 N1303沿空留巷巷道支护(mm)

2.1.2 联络巷支护情况

N1303沿空留巷与N1305辅助运输巷之间的联络巷为矩形巷道，宽×高=4.0 m×3.6 m，联络巷长度为两巷煤柱之间的长度50 m。顶板每排5根锚杆，间排距900 mm×900 mm，锚杆全部垂直顶板布置；锚索为“3-1-3”布置，间排距为1 600 mm×900 mm，均垂直顶板打设。帮部每排4根锚杆，间排距1 000 mm×900 mm，均垂直帮部打设。联络巷支护情况如图3所示。

图3 联络巷支护示意(mm)

2.2 工作面回采过空巷存在的问题

由于受到采动影响以及工作面矿压显现的影响，N1305辅助运输巷存在超前垮冒的安全隐患，联络巷也存在片帮，底鼓等现象。另外，由于两种类型的空巷均为沿顶掘进，工作面回采至空巷还存在液压支架不接顶，顶板大面积悬空的问题。

3 工作面过空巷方案设计

3.1 空巷超前支护方案

工作面回采过程中虽然顶板会出现一定程度的下沉，但依然会出现支架无法接顶的现象，为确保工作面正常回采，对空巷进行了超前支护控制顶板。根据N1305工作面矿压显现特点以及巷道围岩条件，N1305辅助运输巷采取的超前支护方式为一梁三柱π型梁棚，排距500 mm。联络巷采用顶板加密锚索的方式进行加固，由原来的3-1-3布置，改为3-3-3布置，排距900 mm。超前支护距离为70～100 m，超前支护长度在100～150 m。

3.2 工作面过空巷支架接顶方案

3.2.1 直接推过方案

回采时，工作面沿煤层底板回采，位于此处的液压支架上方与空巷内顶板不接顶，预计有2.0 m的空顶。

1) 对于N1305辅助运输巷，由于巷道宽度较小，回采时只有3架支架无法接顶，现场移架时以20架支架为一组进行移架，通过支架前溜把这3架空顶的支架移到要求位置。并且由于采煤后顶板塌陷，可以借助垮冒的顶板进行接顶，直接推过，或者将液压支架的逼帮板搭接到超前架棚的钢梁上进行护顶。

2) 对于联络巷，长度为50 m，这样就会有大面积空顶现象存在。采用该方案的优点是回采推过工艺简单，不增加额外工作量和成本，且不会造成煤柱丢失。但是该方案有三个缺点，一是安全性较低，容易出现冒顶现象，并且高顶区有可能有瓦斯积聚；二是工作面机尾液压架大范围不接顶，无法提供液压支架的移动以及刮板输送机的移动的支撑力；三是N1305辅助运输巷存在超前垮塌的问题。

3.2.2 联络巷内充填高水材料方案

高水材料是一种能在高水灰比条件(W/C=1.3∶1～3∶1)下快速凝结的特种水泥，在体积比水占90%，20～30 min内凝结，100%固化，最终强度达到8～12 MPa。

在回采至联络巷前50 m，在联络巷两侧设置挡浆装置，用双液注浆泵将搅拌好的甲、乙料泵送至联络巷内，依靠混合浆液良好的流动性，自流充满联络巷空间。回采至联络巷时，机组直接截割充填料，支架直接接顶。

该方法的优点是：高水充填体强度与3号煤层强度相近，充填后，回采过程中与实体煤柱基本无差别，不会造成煤柱丢煤，安全性高，支架接顶好。缺点是：增加一套充填设备，材料成本较高，增加额外工程量。

3.2.3 联络巷内搭设木垛方案

N1305工作面回采时，需要通过沿煤层顶板掘进的联络巷，其中联络巷断面为4 m×3.6 m(宽×高)。回采时，由于工作面沿煤层底板回采，所以在回采至联络巷时，部分液压支架架上方与横贯内顶板不接顶。为此采取搭设木垛的措施。

1) 在回采至联络巷前一定距离，在联络巷内打设吊挂锚索或锚杆，在锚索尾端链接铁链，在铁链端部安装槽钢作为木垛托架，在托架上打设木垛与联络巷顶板接顶。支护设计如图4、图5所示。

图4 吊挂锚索配合铁链搭接木垛(mm)

图5 吊挂锚索木垛搭接示意

2) 在回采至联络巷前一定距离，在联络巷内打设多排帮部锚杆，在锚杆外露端套嵌钢管或通过两端焊接螺母的连接件链接短锚杆，在钢管上安置钢槽作为木垛托架，在托架上搭设木垛与联络巷顶板接顶。支护设计如图6、图7所示。

图6 帮部锚杆外接钢管搭设木垛(mm)

回采时，工作面沿煤层底板回采，回采至联络巷位置时，支架稍降前移至木垛下方，然后再升紧支架通过木垛与联络巷顶板接顶。

4 工业性试验

结合古城煤矿现场地质条件以及现有设备，最终选定在联络巷补打顶锚索，N1305辅助运输巷将液压支架的逼帮板搭接到超前架棚的钢梁上进行护顶。在工作面回采过联络巷时采用搭设木垛接顶的方法，回采至联络巷位置时，支架稍降前移至木垛下方，然后再升紧支架通过木垛与联络巷顶板接顶，最终安全顺利通过了空巷，实现了工作面安全回采。