龙华煤矿浅埋综采工作面过上覆空巷充填技术研究

2023-12-04齐晓华王冬冬

煤炭与化工 2023年10期

齐晓华，王力，王冬冬，张利

（陕西煤业化工集团孙家岔龙华矿业有限公司，陕西神木 719300）

0 引言

浅埋煤层综采工作面过空巷一直是煤矿开采未能很好解决的技术难题[1-4]，空巷易造成工作面顶板应力显著集中、围岩变形、压架等矿压异常问题，严重影响工作面安全开采[5-6]。根据空巷与综采工作面的空间层位关系，可将其分为3 类：平行于工作面、斜交于工作面和垂直于工作面[7]。传统过空巷[8-11]采用密集支柱或木垛加强对空巷顶板的支护；采用“锚杆+锚索+钢带”加固空巷顶板和（玻璃钢+塑料网片）加固空巷两帮；在空巷内填充浮煤、高水速凝材料；调整工作面与空巷夹角，减少每次割煤揭露空巷的长度。

龙华煤矿20112 综采工作面前方空巷与工作面为垂直斜交方式，且空巷具有20°的坡度，支护体易受超前采动应力影响而失稳。工作面通过时，空巷作为工作面顶板，要求空巷内外部支护具有极好的稳定性。因此，本文针对龙华煤矿20112 工作面地质采矿条件，研究工作面过上煤层空斜巷补强支护方式、高水速凝材料全部充填技术，以保证工作面安全、顺利、快速的通过空斜巷。

1 概况

1.1 20112 工作面概况

龙华煤矿20112 综采工作面位于201 盘区西翼，开采2-2 煤层，工作面埋深120～ 140 m，上覆基岩厚度为53～96 m，松散层厚度为0～40 m。20112 工作面是典型的浅埋超长孤岛综采工作面，采高3.2 m，走向推进距离2 089 m，倾向长度393 m，煤层倾角0～3°。基本顶为粉砂岩，厚度16.5～17.4 m，直接顶为中粗类砂岩，厚度0.98～12.47 m。工作面采用全部垮落法一次采全高采煤法，选用ZY10000/20/40D 二柱掩护式液压支架对工作面顶板进行支护。

1.2 空斜巷位置及断面情况

20112 综采工作面在推进前方存在1 条101 盘区回风斜巷，如图1 所示。101 盘区回风斜巷为拱形巷道，与工作面垂直相交，岩巷开口位于2 号煤101 盘区回风巷860 m 处，斜巷长度124 m，掘进时先由+6°掘进5.325 m，再开始+20°坡度掘进，巷道净宽4.2 m，净高3.6 m，拱高2.1 m，如图2所示。

图1 20112 工作面与上覆空斜巷空间位置关系Fig.1 The spatial position relationship between No.20112 Face and overlying empty inclined roadway

图2 101 盘区回风斜巷断面Fig.2 Section of No.101 panel return air inclined roadway

回风斜巷顶板采用锚喷支护，使用φ20 mm×2 100 mmⅡ级螺纹钢锚杆，锚杆间、排距为800 mm×800 mm，菱形布置，每根锚杆使用3 节MSZ35/35 型树脂药卷，托盘规格150 mm×150 mm×8 mm，托盘采用Q235 材质。使用φ15.24 mm×6 500 mm 钢绞线锚索，锚索间、排距2 400 mm×1 600 mm，菱形布置。每根锚索使用3 节MSZ35/35 型树脂药卷，一块16 号槽钢托板，长300 mm。巷道顶、帮均挂φ6 mm 的Q235 钢筋网，网格为100 mm×100 mm，要求网片铺设平直，接茬处搭接100 mm，并每隔200 mm，用12 号铅丝扭结。

1.3 空斜巷的开采危害性分析

20112 工作面推采过程中，空巷的存在干扰了工作面超前支承应力的正常传递，导致空巷周围应力分布状态复杂化。

（1）当工作面推采至空斜巷时，受回采和超前采动应力影响，空斜巷有可能出现矿压显现剧烈，导致空斜巷顶板失稳局部周期性冒落，上部空巷首先受到破坏；随着工作面的推进，顶板基岩厚度逐渐减小，有可能出现空斜巷上覆岩层急剧下沉，造成空斜巷底板破断，工作面产生冲击压力，致使支架失稳倾倒或压死支架。

（2）当工作面推采至斜巷交叉口与空巷贯通之前，空巷和回采工作面之间的煤柱容易突然失稳，此时仅依靠锚杆、锚索很难控制空巷顶板的破断，此时，顶板极有可能在架前冒落，影响工作面液压支架的正常通行，且冒落瞬间具有一定的冲击性，严重威胁生产安全。

2 空巷支护方式的确定

由于工作面前方存在超前支承压力，往往会在工作面临近时造成空巷顶板垮塌、片帮、大范围冒顶，甚至压死支架等灾害。目前国内预空巷主要有如下方式进行顶板支护：木垛或单体柱、垛式支架、墩柱、膏体或高水材料充填。

（1）木垛或木柱支护。

木材属于弹性模量较低的材质，受压时容易产生大变形，木点柱太高，细长比太小、支护强度较弱，巷道断面大、埋深大、地应力大，顶板来压时容易发生脆性折断，甚至在工作面临近空巷时，超前支承压力即可能压断木柱等支护体，造成空巷大变形，一旦发生该现象，则需顶板重新注浆加固，成本高，严重影响工作面推进速度。

（2）垛式支架支护。

垛式支架型号多样，护顶面积大，能够承载顶板的大变形，支护强度高，支护阻力不降低。缺点是垛式支架增加副斜井提升运输量，租赁费用高；垛式支架为重型设备，搬运、安装存在挤伤人等安全风险，拆垛式支架需要反复支撑顶板，容易造成对顶板已有支护体的破坏。

（3）强力墩柱支护。

强力墩柱适用于井下现场制作，采煤机可割碎，利用皮带运输机运出，便于安装和拆卸，施工作业机械化程度高。强力墩柱所用的材料是各种形式的充填材料灌浆，是由远端泵送到需要支护的区域，通常是被泵入到一个充填袋中。充填袋通过悬挂在顶板上形成一个空间来注满充填材料，从而形成支撑柱。

（4）高水材料（膏体）充填支护。

高水速凝材料是一种双料特种水泥混合材料，是近年来矿山充填应用较为成功的材料之一。该材料由A 料、B 料两种材料组成，以重量配合比1∶1 使用，其中A 料是以硫铝酸盐水泥熟料为基材，以悬浮剂及少量超缓凝剂混磨而成，B 料是由石灰、石膏、悬浮剂和复合速凝早强剂等混磨而成。根据不同的充填强度需求，可选择不同的水灰比。施工时将两种材料分别搅拌，配制成水固比1.0～4.0 的浆体，经过管道输送到待充区中，当两种材料汇聚后迅速凝固，对巷道顶板进行有效支护。

龙华煤矿20112 工作面前方空巷与工作面为垂直斜交方式，工作面通过时，空巷作为工作面顶板，这就要求空巷内外部支护具有极好的稳定性。木垛、木点柱支护不能满足支护要求，垛式支架支护又不能满足设备回收要求，新型强力墩柱支护强度较大，但由于空巷具有20°的坡度，一方面施工困难，另一方面墩柱稳定性易受超前采动应力影响。因此，综合考虑上述4 种巷内加强支护方式的优缺点，龙华煤矿20112 工作面空巷选择采用全部充填方式进行加强支护，保证20112 工作面安全顺利通过空巷。

3 回风空斜巷充填实施方案

3.1 垮落带高度计算

根据龙华煤矿201 盘区地质说明书，盘区顶板实测抗压强度为31.4～ 34.7 MPa，属中硬强度顶板。则顶板垮落高度为：

带入计算得，20112 工作面垮落带高度为7.5～11.9 m。

根据工作面钻孔柱状结构，煤层直接顶板厚度5.1 m，以粉砂岩、中砂岩和炭质泥岩为主，老顶厚度12.08 m，中砂岩，灰白色，以石英为主，次为长石及暗色岩屑，分选性差，磨圆度中等，局部含菱铁质结核。因此，空斜巷充填时，需将直接顶范围内充填即可，充填高度5.1 m 时，对应空巷斜长16.4 m，保留1.2 倍富余系数，充填长度取20 m，对应充填高度6.8 m，满足工作面推采要求。

3.2 高水材料充填工艺

充填材料单浆可保持12 h 不凝固，双液混合后可在30 min 内初凝，由于高水材料可远距离输送，充填泵站可灵活布置。高水材料充填工艺如图3 所示。

图3 高水材料充填工艺流程Fig.3 Filling process of high water material

如图3 所示，将高水充填材料A、B 按1∶1的比例配合使用，A、B 料单独搅拌，经两条管路分别输送，在待充区域附近经混流器混合均匀后充入采空区，凝固形成充填体支撑顶板。

3.3 回风斜巷充填方案

回风斜巷断面13.2 m2，充填斜长20 m，考虑充填斜角等，初步估算充填量410 m3。针对回风斜巷特点，其具备一定的角度实施充填较为有利，为仰斜充填。首先将巷口充满，一旦充填管路发生堵管等故障，将影响后续充填。为保证充填施工顺利进行，采用分段充填方式，将回风斜巷分为3 段（图4）。第1 段水平长度3 m，倾斜长度5 m，充填体积179 m3；第2 段倾斜长度5 m，充填体积99 m3；第3 段倾斜长度20 m，充填体积132 m3。

根据高水材料特性并参考工程实践经验，综合考虑井下施工条件、工作面超前支承应力的作用效果、浆液固结强度及材料消耗等因素，确定空巷充填材料的水灰比为4∶1，材料终凝强度3 MPa。

4 回风空斜巷充填效果分析

20112 超长孤岛工作面的空斜巷采用高水速凝材料充填技术，有效控制住了巷道的失稳下沉。工作面的推进速度快，过空斜巷时间短，降低工作面顶板冒顶的可能性。工作面距空斜巷12 m 周期来压，距空巷3 m 停机等压，工作面压力升高47.5 MPa，等压结束后，向前推进一刀煤，工作面支架压力普遍降低到正常压力28.0 MPa。等压效果良好，使工作面过空巷期间顶板压力正常，没有出现冒顶、压死支架等事故。