大巷煤柱回收工作面過空巷優化設計與應用

趙晉朋

(山西晉城煤業集團 澤州天安宏祥煤業有限公司， 山西 晉城 048000)

大巷煤柱回收工作面作為一種特殊類型的工作面，在回采過程中常會遇到各類空巷，包括同層空巷、穿層傾斜空巷以及硐室等[1]. 工作面在通過這些巷道時，常常伴隨有超前支撐壓力增大，巷道變形嚴重，工作面支架壓架、倒架等現象，給礦井安全生產帶來隱患[2]. 針對上述難題，國內外煤礦工作者提出了不同的解決思路。其中，常采用的措施是“錨網索加強支護+密集點柱”相結合的方式，這種方式適合同層空巷使用，實用性較強[3]；吳士良等[4]提出了“小煤柱等壓”過空巷技術，通過理論分析“等壓”參數，得出了等壓小煤柱的合理寬度和等壓時間；肖龍正等[5]提出了采用超高水材料注漿充填空巷的可行性，并確定了相關的充填工藝和充填體力學參數。

基于上述研究成果，對趙莊煤業3800大巷綜放工作面巷道布置進行優化，并針對工作面回采過程中不同類型的空巷，提出了合適的過空巷技術實施方案。

1 工作面布置及空巷概況

該礦井田面積為19.744 1 km2，批準開采3#—15#煤層，證載能力為1.20 Mt/a. 礦井采用斜井開拓方式，共布置4個井筒，分別為主斜井、3#煤副斜井、新副斜井和東山回風斜井。目前，礦井實施3#、9#煤層配采，15#煤層未開采。3#煤經過長期開采基本枯竭，處于末采階段。

1) 工作面布置及資源條件。

3800綜放工作面為3#煤八盤區大巷煤柱回收工作面，東西兩側均為采空區，北側為朱趙山回風立井保護煤柱，南側通過順槽巷道與中央運輸大巷、六盤區回風巷連通，停采線距開切眼約1 480 m. 受東西兩側不同采空區范圍影響，3800工作面共分兩段布置，其中，Ⅰ段工作面長度為101.8 m，推進長度為269.7 m；Ⅱ段工作面長度為112.9 m，推進長度為1 210.1 m.

3800工作面埋深約290 m，工作面范圍內未發現斷層、陷落柱等構造，煤層傾角約1°，采用傾斜長壁綜采放頂煤采煤法。礦井水文地質類型為中等，為低瓦斯礦井，煤塵無爆炸性，無自燃傾向性。3#煤層特征見表1.

表1 3#煤層特征表

2) 空巷概況。

經過實測可知，3800工作面內部共有53條空巷，總長度約6 105.9 m.根據空巷層位，空巷可分為3類：a) 沿煤層底板的空巷(共25條，分別為回風順槽、膠帶進風順槽與八盤區膠帶大巷之間連通的空巷)。b) 沿煤層頂板的空巷(共1條)。c) 傾斜穿層的空巷(共27條，分別為八盤區輔運大巷與其他3條順槽之間連通的空巷)。根據巷道與采煤工作面之間的位置關系，空巷也可分為3類：a) 平行于工作面的空巷(共33條)。b) 垂直于工作面的空巷(共6條)。c) 斜交于工作面的空巷(共14條)。

經探測可知，3800工作面內的空巷多為矩形斷面，寬度在4.0 m左右，高度在2.5 m左右，采用“錨網索噴”支護方式，空巷受采動影響多年，巷道變形嚴重，局部存在垮落變形現象。空巷斷面示意圖見圖1.

圖1 空巷斷面示意圖

2 工作面開采難點及重點

1) 3800工作面內部存在大量巷道，充分利用既有巷道，減少順槽巷道掘進工程量，最大限度地提高資源回收率，是該工作面優化布置的難點和重點。

2) 工作面處于趙莊煤業向斜的軸部，工作面標高低于兩側采空區。回采時，超前壓力可能對兩翼采空區密閉造成破壞，導致采空區積水進入工作面，對安全生產造成威脅。

3) 3800工作面內部存在各種類型的空巷，工作面回采過程中需要針對不同類型空巷提出有針對性的過空巷技術方案，才能保證工作面安全回采。

3 工作面優化布置方案

1) 工作面優化布置方案。

3800工作面內部沿推進方向現有3條大巷，分別為膠帶大巷(沿底板布置)、輔運大巷(沿頂板布置)和回風大巷(沿底板布置)。為提高煤炭資源回收率，減少掘進巷道工程量和運輸環節，同時實現新掘巷道與既有巷道的有序銜接，保證工作面正常回采，經前期方案技術經濟比較，確定如下工作面巷道優化布置方案。

3800工作面采用“三進一回”的四巷布置方式，其中，八盤區回風大巷作為工作面的膠帶進風順槽，擔負煤炭運輸和進風任務；八盤區輔運大巷擔負工作面輔助運輸和輔助進風任務；八盤區膠帶大巷擔負工作面的輔助進風任務；沿西翼采空區邊界新掘一條回風順槽(沿3#煤底板布置)，擔負工作面回風任務。工作面開切眼刷大，利用八盤區大巷之間11#聯絡巷，沿3#煤底板布置。優化后的工作面布置方式相比于原設計方案，可以減少3次主運輸轉載環節，減人提效；同時，將沿空巷道作為回風順槽，僅擔負回風任務，即使巷道底鼓變形也不影響巷道使用[6].

工作面主要巷道斷面特征見表2. 優化后的3800大巷煤柱回收工作面巷道布置見圖2.

表2 工作面主要巷道斷面特征及支護形式表

圖2 優化后的3800大巷煤柱回收工作面巷道布置圖

2) 小煤柱沿空巷道布置。

3800工作面為孤島工作面，東西兩側均為采空區，為提高資源回收率同時減少應力集中對沿空巷道的影響，回風順槽采用小煤柱沿空掘巷方式。根據極限平衡理論，合理的窄煤柱寬度B的計算公式如下，合理煤柱寬度尺寸示意圖見圖3.

圖3 合理煤柱寬度尺寸示意圖

計算公式:

B=x1+x2+x3

式中:

x1—沿空掘巷窄煤柱破碎區寬度，m；

m—煤層厚度，m；

φ0—煤層界面的內摩擦角，(°)，取30；

C0—煤層界面的黏聚力，MPa，取5；

k—應力集中系數，取3；

γ—巖層平均容量，t/m3，取2.5；

H—巷道埋深，m，取290；

Px—對煤幫的支護阻力，MPa，取0.4；

x2—巷道窄煤柱幫錨桿有效長度,m，取2.0；

x3—按0.3(x1+x2)計算。

經計算，窄煤柱理論寬度不應小于5.08 m. 結合趙莊煤業3800工作面周圍采空區范圍分布情況，確定窄煤柱寬度尺寸最小應為6 m，既能保證巷道布置在塑性承載區，又能防止采空區瓦斯和水的涌入，保證安全生產[7].

另外，新掘順槽施工期間，應重新砌筑采空區密閉；采煤工作面回采期間，應超前工作面對兩翼采空區密閉進行加強支護，防止采空區積水進入采煤工作面影響安全生產。

4 過空巷技術實施方案

3800工作面內部存有各類空巷，根據空巷層位不同大致可分為3類：底板空巷(平行、垂直、斜交于工作面)、頂板空巷(平行、垂直以及斜交于工作面)和傾斜空巷。針對上述3類空巷提出了不同的技術實施方案，具體如下：

1) 對于底板空巷，采用“錨索加強支護+木支柱支護、注漿固結修復和支架支撐力保障”的綜合技術實施方案。

a) 工作面推進至距底板空巷50 m時，完成空巷內的“錨索加強支護+木支柱支護”作業，同時結合巷道圍巖情況，采用煤壁及頂板注漿固結修復措施。

b) “強力錨索+木支柱支護”支護參數。頂錨桿采用MSGLW-335/22×2400高強螺紋鋼錨桿，預緊力矩不低于140 N·m，間排距為800 mm×1 000 mm，錨索選用SKP17.8-1/1860-8000，矩形布置，每排兩根，間排距為2 000 mm×2 000 mm，預緊力不低于200 kN. 幫錨桿采用d20 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，預緊力矩不低于80 N·m.

當空巷與工作面切眼斜交時，采用一梁三柱，排距1 m，柱距1.5 m，梁與工作面切眼平行；當空巷與工作面切眼平行時，采用一梁四柱，排距1 m，柱距0.8 m，梁與工作面切眼垂直。不能支設木棚時支設戴帽點柱。頂板壓力增大時，木棚棚距縮小至0.8 m，木點柱間距縮小至0.6 m. 在空巷口架設雙棚加強支護，空巷內的支柱穿木柱鞋。

空巷支護斷面圖見圖4.

圖4 空巷支護斷面圖

c) 注漿參數。注漿材料為馬麗散樹脂和催化劑，體積比為1∶1；注漿泵為風動注漿泵，注漿壓力不小于5 MPa，注漿鉆孔長度為3 m，最終漿液流動擴散范圍為5 m；空巷煤幫每排布置2個注漿孔，孔間距為1.0 m×5.0 m，上位孔距頂板1 m，傾角10°.

d) 實時監測工作面支架液壓系統泄露程度和位置，發現問題及時維修，確保過空巷期間支架支撐力處于正常工作狀態。

2) 對于頂板巷道，采用“錨索加強支護+木垛接頂”的技術實施方案。

a) 工作面推進至距頂板空巷50 m時，完成空巷內“錨索支護+木垛接頂”的支護作業。

b) 頂錨桿采用MSGLW-335/22×2400高強螺紋鋼錨桿，預緊力距不低于140 N·m，間排距為800 mm×1 000 mm，錨索選用SKP17.8-1/1860-8000，矩形布置，每排兩根，間排距為2 000 mm×2 000 mm，預緊力不低于200 kN. 幫錨桿采用MSGLW-335/22×2000高強螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，預緊力距不低于140 N·m.

木支柱支護接頂支護方式同底板空巷。

3) 對于傾斜巷道，采用“充填煤和水泥漿”的技術實施方案，保證充填后的傾斜空巷與周圍巖體膠結完整，形成整體。

為解決回采工作面通過傾斜空巷過程中所存在的頂板管理困難、安全可靠性差和影響煤質的技術難題，提出了采用“充填煤和水泥漿”的方式，先在傾斜空巷兩端設置密閉墻，保證不泄露，然后利用移動式弧形塑料溜槽將煤體拋至空巷底部，由下向上逐層充填，待充填率達到90%時，停止充填煤體，換做向空巷內注入水泥漿，保證煤泥漿與圍巖膠結成整體，共同控制圍巖，凝結后的膠結體最終強度可達到0.5 MPa以上，滿足充填空巷的強度要求，同時顯著改善工作面回采空巷的煤質問題。傾斜巷道充填示意圖見圖5.

圖5 傾斜巷道充填示意圖

4) 針對支護困難的空巷或已冒落的空巷等異常空巷，采用“注漿全部充填”的技術實施方案。

a) 采前注漿充填。

工作面前方的空巷頂板受煤壁超前支撐壓力影響會提前垮落，冒落矸石將全部或部分充填空巷，嚴重影響工作面推進。采用“注漿全部充填”的方式，既能填滿頂板冒落空洞控制圍巖，又能膠結破碎巖石形成新的煤壁和假頂，有效控制工作面頂板。

b) 注漿方式。

針對支護困難的空巷或已冒落的空巷等異常空巷，設計采用分層遞進多輪注漿方式。分層注漿方式示意圖見圖6，截割層為工作面煤壁底部2.0 m，充填承載層為工作面假頂4.5 m，總的充填膠結體高度共計6.5 m.

圖6 分層注漿方式示意圖

充填空間分為上下兩層，第一層為充填承載層，注漿孔終孔高度定為7 m左右，漿液水灰比為6∶1；第二層為截割層，注漿孔終孔高度定為2 m左右，漿液水灰比為7∶1. 該技術方案采取由近及遠依次遞進充填空巷的方式，即先通過短注漿孔充填最近的空巷，再通過長注漿孔充填稍遠的空巷。通過分層遞進多輪注漿方式，實現煤壁穩定和人工假頂完整，確保工作面順利通過舊采空巷冒落區。

c) 注漿孔布置。

注漿孔的間距為15 m，即工作面兩側順槽內每隔15 m打一個注漿孔，注漿孔高度為1.2 m左右，注漿孔的仰角為6°～12°. 注漿孔布置圖見圖7.

圖7 注漿孔布置圖

d) 注漿工藝流程。

注漿工藝流程包括準備、裝料、加水、攪拌、注漿、清洗等過程[8]，見圖8.

圖8 注漿工藝流程圖

e) 注漿系統。

注漿管路。由KJR32高壓膠管和d57 mm(2英寸)無縫鋼管或焊接鋼管組成。輸料管路有兩趟，均從泵站到充填點，分別輸送甲料、乙料。注漿泵與鋼管之間用高壓膠管過渡連接，注漿鋼管與混合器間也采用高壓膠管過渡連接，混漿管亦為高壓膠管。

清水管路。為使注漿連續作業，每個攪拌桶應有單獨清水供應管，管徑不小于2英寸。

信號系統。注漿點與注漿硐室相隔較遠，設置信號聯絡系統，一般可采用電話與燈光(或鈴)信號兩路聯絡系統。

注漿設備。包括成孔設備、注漿設備、攪拌設備和其他設備等。其中，鉆機選用風鉆，鉆孔d42 mm；注漿泵使用ZBSB-148～23/6-185型礦用雙液注漿泵；攪拌機選用低速機械式攪拌機，攪拌桶有效容積不小于400 L.

5 經濟效益分析及實施效果

1) 經濟效益分析。

3800大巷回收工作面設計可采儲量共計82.31萬t，按照目前3#煤售價600元/t計算，可實現企業營業收入4.94億；同時回采3800工作面將延長礦井服務年限1.2年，為延深配采下組煤爭取了更長的建設時間，其經濟效益可觀。

2) 實施效果。

目前趙莊煤業3800工作面已經回采過半。根據現場實測情況，工作面在通過空巷過程中，支架工作阻力比較平穩，未出現急劇增大現象；頂板空巷和底板空巷由于采用“錨索加強支護+木支柱支護”的方式，巷道出現兩幫變形及底鼓，但均不超過400 mm，處于可控范圍；采用“充填煤和水泥漿”的傾斜空巷，充填體與空巷頂板膠結較好，未出現垮落和較大變形，且對回采面煤質影響較小。

實踐證明，針對不同類型的空巷，通過采取不同的且有針對性的技術實施方案，空巷圍巖基本得到有效控制，同時工作面可順利通過空巷，有效減少了空巷對回采面的影響。