大巷煤柱回收工作面过空巷优化设计与应用

赵晋朋

(山西晋城煤业集团 泽州天安宏祥煤业有限公司， 山西 晋城 048000)

大巷煤柱回收工作面作为一种特殊类型的工作面，在回采过程中常会遇到各类空巷，包括同层空巷、穿层倾斜空巷以及硐室等[1]. 工作面在通过这些巷道时，常常伴随有超前支撑压力增大，巷道变形严重，工作面支架压架、倒架等现象，给矿井安全生产带来隐患[2]. 针对上述难题，国内外煤矿工作者提出了不同的解决思路。其中，常采用的措施是“锚网索加强支护+密集点柱”相结合的方式，这种方式适合同层空巷使用，实用性较强[3]；吴士良等[4]提出了“小煤柱等压”过空巷技术，通过理论分析“等压”参数，得出了等压小煤柱的合理宽度和等压时间；肖龙正等[5]提出了采用超高水材料注浆充填空巷的可行性，并确定了相关的充填工艺和充填体力学参数。

基于上述研究成果，对赵庄煤业3800大巷综放工作面巷道布置进行优化，并针对工作面回采过程中不同类型的空巷，提出了合适的过空巷技术实施方案。

1 工作面布置及空巷概况

该矿井田面积为19.744 1 km2，批准开采3#—15#煤层，证载能力为1.20 Mt/a. 矿井采用斜井开拓方式，共布置4个井筒，分别为主斜井、3#煤副斜井、新副斜井和东山回风斜井。目前，矿井实施3#、9#煤层配采，15#煤层未开采。3#煤经过长期开采基本枯竭，处于末采阶段。

1) 工作面布置及资源条件。

3800综放工作面为3#煤八盘区大巷煤柱回收工作面，东西两侧均为采空区，北侧为朱赵山回风立井保护煤柱，南侧通过顺槽巷道与中央运输大巷、六盘区回风巷连通，停采线距开切眼约1 480 m. 受东西两侧不同采空区范围影响，3800工作面共分两段布置，其中，Ⅰ段工作面长度为101.8 m，推进长度为269.7 m；Ⅱ段工作面长度为112.9 m，推进长度为1 210.1 m.

3800工作面埋深约290 m，工作面范围内未发现断层、陷落柱等构造，煤层倾角约1°，采用倾斜长壁综采放顶煤采煤法。矿井水文地质类型为中等，为低瓦斯矿井，煤尘无爆炸性，无自燃倾向性。3#煤层特征见表1.

表1 3#煤层特征表

2) 空巷概况。

经过实测可知，3800工作面内部共有53条空巷，总长度约6 105.9 m.根据空巷层位，空巷可分为3类：a) 沿煤层底板的空巷(共25条，分别为回风顺槽、胶带进风顺槽与八盘区胶带大巷之间连通的空巷)。b) 沿煤层顶板的空巷(共1条)。c) 倾斜穿层的空巷(共27条，分别为八盘区辅运大巷与其他3条顺槽之间连通的空巷)。根据巷道与采煤工作面之间的位置关系，空巷也可分为3类：a) 平行于工作面的空巷(共33条)。b) 垂直于工作面的空巷(共6条)。c) 斜交于工作面的空巷(共14条)。

经探测可知，3800工作面内的空巷多为矩形断面，宽度在4.0 m左右，高度在2.5 m左右，采用“锚网索喷”支护方式，空巷受采动影响多年，巷道变形严重，局部存在垮落变形现象。空巷断面示意图见图1.

图1 空巷断面示意图

2 工作面开采难点及重点

1) 3800工作面内部存在大量巷道，充分利用既有巷道，减少顺槽巷道掘进工程量，最大限度地提高资源回收率，是该工作面优化布置的难点和重点。

2) 工作面处于赵庄煤业向斜的轴部，工作面标高低于两侧采空区。回采时，超前压力可能对两翼采空区密闭造成破坏，导致采空区积水进入工作面，对安全生产造成威胁。

3) 3800工作面内部存在各种类型的空巷，工作面回采过程中需要针对不同类型空巷提出有针对性的过空巷技术方案，才能保证工作面安全回采。

3 工作面优化布置方案

1) 工作面优化布置方案。

3800工作面内部沿推进方向现有3条大巷，分别为胶带大巷(沿底板布置)、辅运大巷(沿顶板布置)和回风大巷(沿底板布置)。为提高煤炭资源回收率，减少掘进巷道工程量和运输环节，同时实现新掘巷道与既有巷道的有序衔接，保证工作面正常回采，经前期方案技术经济比较，确定如下工作面巷道优化布置方案。

3800工作面采用“三进一回”的四巷布置方式，其中，八盘区回风大巷作为工作面的胶带进风顺槽，担负煤炭运输和进风任务；八盘区辅运大巷担负工作面辅助运输和辅助进风任务；八盘区胶带大巷担负工作面的辅助进风任务；沿西翼采空区边界新掘一条回风顺槽(沿3#煤底板布置)，担负工作面回风任务。工作面开切眼刷大，利用八盘区大巷之间11#联络巷，沿3#煤底板布置。优化后的工作面布置方式相比于原设计方案，可以减少3次主运输转载环节，减人提效；同时，将沿空巷道作为回风顺槽，仅担负回风任务，即使巷道底鼓变形也不影响巷道使用[6].

工作面主要巷道断面特征见表2. 优化后的3800大巷煤柱回收工作面巷道布置见图2.

表2 工作面主要巷道断面特征及支护形式表

图2 优化后的3800大巷煤柱回收工作面巷道布置图

2) 小煤柱沿空巷道布置。

3800工作面为孤岛工作面，东西两侧均为采空区，为提高资源回收率同时减少应力集中对沿空巷道的影响，回风顺槽采用小煤柱沿空掘巷方式。根据极限平衡理论，合理的窄煤柱宽度B的计算公式如下，合理煤柱宽度尺寸示意图见图3.

图3 合理煤柱宽度尺寸示意图

计算公式:

B=x1+x2+x3

式中:

x1—沿空掘巷窄煤柱破碎区宽度，m；

m—煤层厚度，m；

φ0—煤层界面的内摩擦角，(°)，取30；

C0—煤层界面的黏聚力，MPa，取5；

k—应力集中系数，取3；

γ—岩层平均容量，t/m3，取2.5；

H—巷道埋深，m，取290；

Px—对煤帮的支护阻力，MPa，取0.4；

x2—巷道窄煤柱帮锚杆有效长度,m，取2.0；

x3—按0.3(x1+x2)计算。

经计算，窄煤柱理论宽度不应小于5.08 m. 结合赵庄煤业3800工作面周围采空区范围分布情况，确定窄煤柱宽度尺寸最小应为6 m，既能保证巷道布置在塑性承载区，又能防止采空区瓦斯和水的涌入，保证安全生产[7].

另外，新掘顺槽施工期间，应重新砌筑采空区密闭；采煤工作面回采期间，应超前工作面对两翼采空区密闭进行加强支护，防止采空区积水进入采煤工作面影响安全生产。

4 过空巷技术实施方案

3800工作面内部存有各类空巷，根据空巷层位不同大致可分为3类：底板空巷(平行、垂直、斜交于工作面)、顶板空巷(平行、垂直以及斜交于工作面)和倾斜空巷。针对上述3类空巷提出了不同的技术实施方案，具体如下：

1) 对于底板空巷，采用“锚索加强支护+木支柱支护、注浆固结修复和支架支撑力保障”的综合技术实施方案。

a) 工作面推进至距底板空巷50 m时，完成空巷内的“锚索加强支护+木支柱支护”作业，同时结合巷道围岩情况，采用煤壁及顶板注浆固结修复措施。

b) “强力锚索+木支柱支护”支护参数。顶锚杆采用MSGLW-335/22×2400高强螺纹钢锚杆，预紧力矩不低于140 N·m，间排距为800 mm×1 000 mm，锚索选用SKP17.8-1/1860-8000，矩形布置，每排两根，间排距为2 000 mm×2 000 mm，预紧力不低于200 kN. 帮锚杆采用d20 mm×2 000 mm的玻璃钢锚杆，间排距为800 mm×1 000 mm，预紧力矩不低于80 N·m.

当空巷与工作面切眼斜交时，采用一梁三柱，排距1 m，柱距1.5 m，梁与工作面切眼平行；当空巷与工作面切眼平行时，采用一梁四柱，排距1 m，柱距0.8 m，梁与工作面切眼垂直。不能支设木棚时支设戴帽点柱。顶板压力增大时，木棚棚距缩小至0.8 m，木点柱间距缩小至0.6 m. 在空巷口架设双棚加强支护，空巷内的支柱穿木柱鞋。

空巷支护断面图见图4.

图4 空巷支护断面图

c) 注浆参数。注浆材料为马丽散树脂和催化剂，体积比为1∶1；注浆泵为风动注浆泵，注浆压力不小于5 MPa，注浆钻孔长度为3 m，最终浆液流动扩散范围为5 m；空巷煤帮每排布置2个注浆孔，孔间距为1.0 m×5.0 m，上位孔距顶板1 m，倾角10°.

d) 实时监测工作面支架液压系统泄露程度和位置，发现问题及时维修，确保过空巷期间支架支撑力处于正常工作状态。

2) 对于顶板巷道，采用“锚索加强支护+木垛接顶”的技术实施方案。

a) 工作面推进至距顶板空巷50 m时，完成空巷内“锚索支护+木垛接顶”的支护作业。

b) 顶锚杆采用MSGLW-335/22×2400高强螺纹钢锚杆，预紧力距不低于140 N·m，间排距为800 mm×1 000 mm，锚索选用SKP17.8-1/1860-8000，矩形布置，每排两根，间排距为2 000 mm×2 000 mm，预紧力不低于200 kN. 帮锚杆采用MSGLW-335/22×2000高强螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×1 000 mm，预紧力距不低于140 N·m.

木支柱支护接顶支护方式同底板空巷。

3) 对于倾斜巷道，采用“充填煤和水泥浆”的技术实施方案，保证充填后的倾斜空巷与周围岩体胶结完整，形成整体。

为解决回采工作面通过倾斜空巷过程中所存在的顶板管理困难、安全可靠性差和影响煤质的技术难题，提出了采用“充填煤和水泥浆”的方式，先在倾斜空巷两端设置密闭墙，保证不泄露，然后利用移动式弧形塑料溜槽将煤体抛至空巷底部，由下向上逐层充填，待充填率达到90%时，停止充填煤体，换做向空巷内注入水泥浆，保证煤泥浆与围岩胶结成整体，共同控制围岩，凝结后的胶结体最终强度可达到0.5 MPa以上，满足充填空巷的强度要求，同时显著改善工作面回采空巷的煤质问题。倾斜巷道充填示意图见图5.

图5 倾斜巷道充填示意图

4) 针对支护困难的空巷或已冒落的空巷等异常空巷，采用“注浆全部充填”的技术实施方案。

a) 采前注浆充填。

工作面前方的空巷顶板受煤壁超前支撑压力影响会提前垮落，冒落矸石将全部或部分充填空巷，严重影响工作面推进。采用“注浆全部充填”的方式，既能填满顶板冒落空洞控制围岩，又能胶结破碎岩石形成新的煤壁和假顶，有效控制工作面顶板。

b) 注浆方式。

针对支护困难的空巷或已冒落的空巷等异常空巷，设计采用分层递进多轮注浆方式。分层注浆方式示意图见图6，截割层为工作面煤壁底部2.0 m，充填承载层为工作面假顶4.5 m，总的充填胶结体高度共计6.5 m.

图6 分层注浆方式示意图

充填空间分为上下两层，第一层为充填承载层，注浆孔终孔高度定为7 m左右，浆液水灰比为6∶1；第二层为截割层，注浆孔终孔高度定为2 m左右，浆液水灰比为7∶1. 该技术方案采取由近及远依次递进充填空巷的方式，即先通过短注浆孔充填最近的空巷，再通过长注浆孔充填稍远的空巷。通过分层递进多轮注浆方式，实现煤壁稳定和人工假顶完整，确保工作面顺利通过旧采空巷冒落区。

c) 注浆孔布置。

注浆孔的间距为15 m，即工作面两侧顺槽内每隔15 m打一个注浆孔，注浆孔高度为1.2 m左右，注浆孔的仰角为6°～12°. 注浆孔布置图见图7.

图7 注浆孔布置图

d) 注浆工艺流程。

注浆工艺流程包括准备、装料、加水、搅拌、注浆、清洗等过程[8]，见图8.

图8 注浆工艺流程图

e) 注浆系统。

注浆管路。由KJR32高压胶管和d57 mm(2英寸)无缝钢管或焊接钢管组成。输料管路有两趟，均从泵站到充填点，分别输送甲料、乙料。注浆泵与钢管之间用高压胶管过渡连接，注浆钢管与混合器间也采用高压胶管过渡连接，混浆管亦为高压胶管。

清水管路。为使注浆连续作业，每个搅拌桶应有单独清水供应管，管径不小于2英寸。

信号系统。注浆点与注浆硐室相隔较远，设置信号联络系统，一般可采用电话与灯光(或铃)信号两路联络系统。

注浆设备。包括成孔设备、注浆设备、搅拌设备和其他设备等。其中，钻机选用风钻，钻孔d42 mm；注浆泵使用ZBSB-148～23/6-185型矿用双液注浆泵；搅拌机选用低速机械式搅拌机，搅拌桶有效容积不小于400 L.

5 经济效益分析及实施效果

1) 经济效益分析。

3800大巷回收工作面设计可采储量共计82.31万t，按照目前3#煤售价600元/t计算，可实现企业营业收入4.94亿；同时回采3800工作面将延长矿井服务年限1.2年，为延深配采下组煤争取了更长的建设时间，其经济效益可观。

2) 实施效果。

目前赵庄煤业3800工作面已经回采过半。根据现场实测情况，工作面在通过空巷过程中，支架工作阻力比较平稳，未出现急剧增大现象；顶板空巷和底板空巷由于采用“锚索加强支护+木支柱支护”的方式，巷道出现两帮变形及底鼓，但均不超过400 mm，处于可控范围；采用“充填煤和水泥浆”的倾斜空巷，充填体与空巷顶板胶结较好，未出现垮落和较大变形，且对回采面煤质影响较小。

实践证明，针对不同类型的空巷，通过采取不同的且有针对性的技术实施方案，空巷围岩基本得到有效控制，同时工作面可顺利通过空巷，有效减少了空巷对回采面的影响。