鳳凰山礦煤柱回收工作面過(guò)空巷充填技術(shù)

賈兆祥

(晉城煤業(yè)集團(tuán)，山西 晉城 048006)

1 工程概況

晉城煤業(yè)集團(tuán)鳳凰山礦二水平煤柱回收工作面開(kāi)采9號(hào)煤層，煤層平均厚度1.5 m，傾角0～6°，平均3°，含1層0.08 m厚的泥巖夾矸，煤層直接頂為石灰?guī)r，厚度0.12～0.45 m，平均0.24 m，基本頂為細(xì)砂巖，厚度2.63～8.27 m，平均5.31 m，直接底巖性為泥巖，厚度0.40～2.84 m，平均1.65 m，老底巖性為石灰?guī)r，厚度0.3～0.92 m，平均0.61 m。工作面采用綜合機(jī)械化采煤方法，采高為1.65 m，工作面一階段長(zhǎng)度113.95 m、回采長(zhǎng)度652.79 m；二階段長(zhǎng)度70.11 m、回采長(zhǎng)度360.57 m。

二水平煤柱回收工作面回采范圍內(nèi)有IX1316回風(fēng)橫川、五橫川及IX1314回風(fēng)橫川等10條空巷，空巷斷面形狀為拱形和矩形，巷內(nèi)的支護(hù)方式為錨網(wǎng)梁支護(hù)或錨網(wǎng)噴支護(hù)，具體工作面位置及空巷分布形態(tài)如圖1所示。

圖1 工作面位置及空巷分布位置示意

2 空巷圍巖變形機(jī)理

回采工作面過(guò)空巷時(shí)，主要存在兩方面的問(wèn)題，一方面為基本頂出現(xiàn)超前破斷，空巷被上覆巖層冒落下來(lái)的矸石所充填，進(jìn)而致使工作面在回采推進(jìn)至空巷區(qū)域時(shí)，無(wú)法正常推進(jìn)通過(guò)；另一方面隨著回采工作面的推進(jìn)使得工作面與空巷間的寬度逐漸減小，當(dāng)工作面與空巷間的寬度小于臨界寬度時(shí)，煤柱會(huì)不斷積蓄能量，易使煤柱出現(xiàn)突變失穩(wěn)現(xiàn)象，影響工作面的正常回采推進(jìn)。

根據(jù)理論研究與工程實(shí)踐結(jié)果[1-2]，空巷基本頂超前破斷是由于煤柱出現(xiàn)失穩(wěn)，致使頂板巖層失去了下部的支撐作用，基本頂所受的應(yīng)力超過(guò)其極限的抗拉強(qiáng)度，從而出現(xiàn)了超前破斷，且基本頂?shù)钠茢辔恢弥饕c其自身的厚度、容重、強(qiáng)度和覆巖載荷等因素有關(guān)。

基于上述分析可知，為防止基本頂發(fā)生超前破斷，需保障煤柱的穩(wěn)定，應(yīng)使空巷內(nèi)部的支護(hù)阻力大于其所需最低支護(hù)阻力，以防止工作面與空巷間煤柱的失穩(wěn)。現(xiàn)結(jié)合二水平煤柱回收工作面內(nèi)空巷的賦存特征，確定采用空巷充填的方式，保障上方基本頂巖層的穩(wěn)定，確保工作面正常回采通過(guò)空巷區(qū)域。

3 空巷充填方案與效果

3.1 充填方案

1) 充填材料。在保障技術(shù)滿足要求的情況下，基于經(jīng)濟(jì)考慮，本次空巷充填作業(yè)的材料選用高水材料，材料由A和B兩種材料組成，兩種材料的使用比例為1∶1，確定材料的水灰比為4∶1，初凝時(shí)間為1 h；該水灰比下材料膠結(jié)24 h后的單軸抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到4.2 MPa[3-4]，可有效支撐空巷頂板。

2) 充填方法。根據(jù)二水平煤柱回收工作面內(nèi)空巷的賦存條件，充填方法采用分段阻隔充填法[5-6]，如圖2所示。該方法先根據(jù)空巷特征將巷道劃分為若干個(gè)區(qū)段，分別在每個(gè)區(qū)段分割線處構(gòu)筑止?jié){墻，根據(jù)二水平煤柱回收工作面特征，設(shè)置分段長(zhǎng)度為15 m，止?jié){墻體的厚度為1.2 m，在一個(gè)止?jié){墻體構(gòu)筑完成后1 d，進(jìn)行空巷區(qū)域的充填作業(yè)，隨后依次根據(jù)劃分分段進(jìn)行筑墻與充填作業(yè)。

圖2 分段阻隔充填法示意

3) 充填系統(tǒng)。在進(jìn)行充填作業(yè)時(shí)，充填材料在井下進(jìn)行攪拌制備，使用攪拌器將A、B兩種漿液攪拌均勻，通過(guò)A泵、B泵及兩趟高壓管路進(jìn)行漿液的輸送，在出漿口的位置處將漿液進(jìn)行混合，插入充填區(qū)域內(nèi)進(jìn)行充填作業(yè)，具體流程如圖3所示。

3.2 效果分析

工作面液壓支架型號(hào)為ZZa4000-10/21型普通支架，支架的額定工作阻力為4 000 kN，工作面泵站壓力為32 MPa，支架初撐力為26 MPa。在工作面過(guò)空巷期間進(jìn)行支架壓力的監(jiān)測(cè)作業(yè)，現(xiàn)以工作面推進(jìn)通過(guò)IX1316回風(fēng)橫川空巷時(shí)的支架壓力進(jìn)行分析，具體如圖4所示。

由圖4可知，隨著工作面距離空巷距離的減小，液壓支架的壓力逐漸增大，在工作面距離空巷50 m的位置處，支架的壓力為29.4 MPa，隨著回采作業(yè)的進(jìn)行，支架的壓力開(kāi)始逐漸增大，當(dāng)工作面推進(jìn)至空巷區(qū)域時(shí)，液壓支架的壓力達(dá)到最大值，為30.5 MPa，增長(zhǎng)了3.7%，此時(shí)支架壓力與泵站提供的壓力之間仍存在著約4.7%的富裕系數(shù)。當(dāng)工作面推進(jìn)通過(guò)空巷后，隨著回采的進(jìn)行，支架的壓力逐漸降低，大致回采推進(jìn)過(guò)空巷50 m的位置時(shí)，支架壓力恢復(fù)正常狀態(tài)，表明空巷的存在對(duì)其前后50 m范圍內(nèi)圍巖體的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。另外結(jié)合回采期間的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果可知，回工作面過(guò)其余空巷期間，支架受力同樣較為正常，支架無(wú)安全閥開(kāi)啟的現(xiàn)象，煤壁未出現(xiàn)大范圍的片幫現(xiàn)象。基于上述分析可知，工作面采用高水材料進(jìn)行空巷充填開(kāi)采取得了良好的效果。

圖3 充填系統(tǒng)示意

圖4 工作面過(guò)充填空巷期間液壓支架壓力曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)二水平煤柱回收工作面空巷賦存情況，通過(guò)分析空巷圍巖變形機(jī)理，確定采用高水材料空巷充填技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，空巷充填效果良好，保障了工作面的安全回采。