煤体再造技术在工作面过空巷中的应用

张勇

（晋能控股煤业集团生产技术部 山西 大同 037000）

1 引言

工作面过平行于切眼的空巷时，存在通风系统紊乱、顶板大面积暴露甚至漏顶等多方面的隐患。传统的过空巷措施是采取以锚网索为主的主动支护和以木垛、单体液压支柱为主的被动支护进行联合维护，这样的治理措施成本高、施工时间长，回采期间顶板管理困难多、安全隐患大。本文提出了利用粉煤灰和末煤进行配比再造煤体对空巷进行充填的技术，并在同忻矿8201工作面进行现场实践，确保工作面安全、高效的通过空巷，对其他存在空巷的综采工作面安全回采起到了良好的示范借鉴作用。

2 工程概况

同忻矿三盘区山2#层8201工作面与相邻8206工作面共用5201巷（沿空留巷）。可采走向长度1 281.2 m，倾向长度180 m，煤厚2.9 m，一次采全高垮落法管理顶板，低瓦斯，水文类型中等。老顶为19.2 m~25.1 m厚的中粗粒砂岩，直接顶为12.8 m~19.8 m厚的粉细砂岩，直接底为0.78 m~1.16 m厚的粉细砂岩。为避免煌斑岩对回采期间的影响，现场在采位1 017 m位置开掘空巷，巷宽7.7 m，高3.1 m，长度180 m。空巷支护形式为锚网索及单体液压支柱。工作面平面位置见图1。

图1 工作面平面位置图

3 再造材料选择和充填工艺

3.1 配比方案

3.1.1 再造煤体模块材料配比

为获得不同配比水泥末煤试样的单轴抗压强度，给空巷煤体再造材料提供基础数据，开展水泥末煤的配比试验，并利用岩石三轴试验机进行单轴抗压强度试验。并采用普通硅酸盐425#水泥、末煤、速凝剂和水进行配比试验，其中末煤通过0.8 mm筛孔，试验模块按照《混凝土试模》JG237的规定制作为70.7×70.7×70.7 mm的立方体，24 h后脱模，在室内环境下养护5 d。模块的具体配比方案如下：

方案一：水泥：末煤：速凝剂：水=1：4.2：0.04：0.5

方案二：水泥：末煤：速凝剂：水=1：4.0：0.04：0.5

方案三：水泥：末煤：速凝剂：水=1：3.8：0.04：0.6

方案四：水泥：末煤：速凝剂：水=1：3.6：0.04：0.6

方案五：水泥：末煤：速凝剂：水=1：3.4：0.04：0.6

方案六：水泥：末煤：速凝剂：水=1：3.2：0.04：0.6

方案七：水泥：末煤：速凝剂：水=1：4.0：0.035：0.6

方案八：水泥：末煤：速凝剂：水=1：4.0：0.03：0.6

方案九：水泥：末煤：速凝剂：水=1：4.0：0.04：0.6

3.1.2 再造煤体试样情况说明

制备再造煤体试样45块，成功脱模32块，脱模后的试样形态详见图2。养护后的试样呈灰黑色，颗粒明显，粒径大多在2 mm～5 mm左右，且大多棱角缺失，脱模方向界面平整度较差。

图2 脱模后试样的形态

3.1.3 试样试验方案

试验使用TAW-1000 kN微机控制电液伺服岩石三轴试验机、电子天平（称重30 kg，感重1 g）、工程塑料试模（70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm）等。

本试验按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T70-2009中立方体抗压强度试验的规定进行。采用位移控制模式，加载速率控制在0.02 mm/s。试样抗压强度按下式计算：

式中：σc为混凝土试件抗压强度，MPa；

F为试件破坏荷载，N；

A为试件承压面积，mm2。

3.1.4 试样试验结果

方案一试样平均抗压强度为1.958 MPa，方案二试样平均抗压强度为3.620 MPa，方案三试样平均抗压强度为4.742 MPa，方案四试样平均抗压强度为3.995 MPa，方案五试样平均抗压强度为4.510 MPa，方案六试样平均抗压强度为5.717 MPa，方案七试样平均抗压强度为3.672 MPa，方案八试样平均抗压强度3.530 MPa，方案九试样抗压强度为3.189 MPa。考虑现场煤体硬度3.0

3.2 空巷煤体再造施工充填的情况

因此，再造煤体材料采用配比为水泥：末煤：速凝剂：水=1：4:0.035:0.6（重量比）进行混合配比的混合料。在采煤帮侧留设的通道宽度1.2 m，通道内支设中心距1.5 m接顶木柱，从2201巷与1.2 m通道交接处中心开始向5201巷方向施工，直至煤体再造区域边界结束。施工断面图及现场施工图见图3、4。

图3 空巷充填施工断面图

图4 现场施工效果图

3.2.1 再造煤体单轴压缩试验

在煤体再造期间培育17块试样送至大同大学，养护后的试样呈灰黑色，部分模块取样未压实，且大多棱角缺失，脱模方向界面平整度较差。取样地点详见（表1）。

表1 试样抗压强度汇总

单轴抗压强度汇总详见（表2）。

表2 试样抗压强度汇总

备注：编号3-1、1-5、3-4、3-5模块由于试样端面不平整，棱角缺失严重，1-4模块取样未压实，致压模试验时受力不均匀，产生异常结果，分析时已去除。除5个异常试块，其它试块单轴抗压强度均大于3.5 MPa。

4 过空巷期间的措施

4.1 二切巷顶板施工卸压孔预裂

为保证工作面通过二切巷再造煤体区域后二切巷顶板及时垮落，防止气体浓度超标，在二切巷内施工卸压孔预裂：

（1）二切巷内1.5 m通道与2201巷相交处巷口起，距离煤壁侧150 mm，沿二切巷向5201巷方向施工顶板预裂孔，施工范围15 m，间距500 mm，孔深9.5 m，垂直顶板施工；

（2）二切巷内1.2 m通道与5201巷相交处巷口起，距离煤壁侧150 mm，沿二切巷向2201巷方向施工一组顶板预裂孔，施工范围20 m，间距250 mm，孔深9.5 m，垂直顶板施工。

（3）在5201巷和2201巷二切巷巷口处，施工顶板卸压孔，距巷帮100 mm，孔径50 mm，孔距250 mm，倾向采空区75°。5201巷二切巷巷口处孔深8.1 m。2201巷二切巷巷口处孔深9.5 m。致裂卸压孔分布见图5。

图5 致裂卸压孔分布示意图

4.2 过空巷期间顶板管理

（1）超前支护管理

当工作面尾部或头部距空巷50 m时，需加强两巷超前支护管理工作，如单体有自卸、支设不牢靠、防倒防坠损坏等现象要及时进行更换。如果顶板受采动影响压力显现强烈时应加强超前支护，单体柱距缩小至0.8 m，间距不变。同时延长超前支护单体支设距离。

（2）工作面端头管理

过空巷期间2201巷端头每次按照一个推移步距进行退锚，不得提前回撤，确保端头悬板随采随落不得大于10 m2。如果顶板破碎可增大退锚步距。5201巷为沿空留巷，要确保支架后方距采空区完全垮落处距离不得大于10 m。

（3）矿压管理

（a）工作面过空巷期间，要加强矿压管理工作。随时观测支架压力及尾巷压力监测数据的变化，并进行分析和预判。

（b）工作面过空巷期间若受动压、填充区域再造煤体支护强度、硬度不够等影响，造成巷道顶板破碎出现大面积垮落或者煤壁大量片帮等漏顶迹象时，应采取及时移架、带压移架的方式迅速将支架前移，及时打开护壁板。

4.3 过空巷期间工艺管理

为保证工作面安全的通过空巷，减少通过期间揭露空巷的面积，特将工作面调斜后逐段通过空巷。

4.4 通过煤体再造的现场情况

工作面完全通过空巷用时3天。割煤期间，机组截割二切巷再造煤体的过程中与截割煤体情况相似，现场再造填体截割后煤壁平直，工作面顶板及空巷顶板完好，整体无明显矿压显现。通过空巷期间支架平均工作阻力见图6。

图6 过空巷期间支架平均工作阻力曲线图

5 过空巷后的总结

实施煤体再造技术进行充填开采的优势有：

（1）充填空巷后，强化空巷周围煤体强度及支承能力，保证了空巷顶板稳定。同时充填体使围岩形成整体结构，有效支护面积增大，减少了巷道的变形量。充填体具有一定的塑性，可一定程度减弱矿压作用。

（2）充填体硬度与煤相近，截割充填体时与工作面截割煤体时相似，能保持工作面正常的回采速度通过空巷，使工作面能够快速通过原空巷区域，提高回采安全性。

（3）充填施工工艺工序较简单、充填材料易获得、可操作性较强，较容易施工。同时施工工期短，一天可充填5 m~10 m，可在较短时间内完成空巷的充填。

（4）由于空巷顶板无补强支护，回采充填体后的空巷顶板比普通补强支护顶板更易垮落，垮落周期短不易造成瓦斯积聚。

（5）由于再造煤体材料的主要成分为末煤，材料容易获得且无毒无害，同时不增加工作面回采期间的原煤的灰分，可以有效保障相关煤质发热量指标。

6 结论

综上所述，对于工作面空巷内实施煤体再造，可以保证工作面安全快速的通过空巷，对其他矿井存在空巷的补强支护做出良好的示范作用；同时为空巷提出一种有效的治理手段，具有一定的推广价值。