煤柱回收綜采工作面空巷充填施工方案優(yōu)化研究

＊陳云強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉圣公司億欣煤業(yè) 山西 048006）

1.引言

隨著煤礦資源的枯竭，需要對(duì)遺留煤柱、空巷貫穿的工作面進(jìn)行煤炭開(kāi)采，以提高礦井資源開(kāi)采率。而在此開(kāi)采過(guò)程中，回采面穿過(guò)已掘的巷道會(huì)造成大范圍的冒頂事故，會(huì)增加巷道支護(hù)難度及回采效率，該問(wèn)題一直是綜采面回采難以克服的生產(chǎn)難題。依據(jù)工作面推進(jìn)方向與空巷的走向關(guān)系，可以將位于綜采工作面回采范圍中的空巷分為與切眼方向平行的空巷，即傾向空巷；第二種為與切眼方向垂直的空巷，即走向空巷；第三種即與切眼方向有一定的夾角，即斜交空巷。

綜采工作面回采時(shí)，為避免空巷冒頂導(dǎo)致的頂板垮落傷人事故，對(duì)傾向空巷和走向空巷所采取的治理措施存在明顯差別。究其原因，主要是因?yàn)楣ぷ髅婊夭善陂g要對(duì)遺留空巷進(jìn)行防冒頂處理，空巷長(zhǎng)度越長(zhǎng)，影響的工期就越長(zhǎng)。在進(jìn)行空巷強(qiáng)化支護(hù)作業(yè)時(shí)，除考慮切眼工作面前方煤體的超強(qiáng)支撐壓力，也要考慮空巷的懸頂面積影響。通過(guò)文獻(xiàn)收集，總結(jié)出的處理綜采工作面空巷的處理方法主要有：（1）利用錨桿和錨索施加支撐應(yīng)力，強(qiáng)化空巷頂板和兩幫的支護(hù)；（2）切眼工作面搬家，利用空巷作為二切眼；（3）用密集支柱或木垛加強(qiáng)對(duì)空巷頂板的支護(hù)。

2.空巷充填

(1)空巷充填機(jī)理

空巷充填后，巷道頂板得到有效的支護(hù)，可以減少回采工作中的應(yīng)力集中問(wèn)題，因此該技術(shù)被稱為空巷充填支護(hù)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不影響工作面的正常回采率，操作非常方便。一般來(lái)說(shuō)，為了保證充填支護(hù)效果，充填材料固化后應(yīng)具有一定的強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層頂板的支護(hù)。同時(shí)，充填材料固化后不應(yīng)太硬，固化后的硬度應(yīng)小于煤體的硬度，以保證采煤機(jī)在回采時(shí)能正常切割充填體。

雖然充填支護(hù)技術(shù)能夠很好地滿足采礦工作的安全要求，但仍存在充填成本高的問(wèn)題。目前，市場(chǎng)上使用的充填材料價(jià)格多在幾千元一噸，在煤炭行業(yè)利潤(rùn)普遍降低的情況下，這種高成本的支護(hù)方式仍然值得考慮。填充體回收后不能再使用。在一定程度上，它是一種廢棄物，也容易造成環(huán)境污染問(wèn)題。因此，在采用這種方法進(jìn)行空巷支護(hù)時(shí)，需要考慮如何在開(kāi)采效率和成本之間取得平衡。

(2)礦井概況

鳳凰山礦原生產(chǎn)能力3.0Mt/a，開(kāi)采煤層為9號(hào)和15號(hào)煤，生產(chǎn)能力為3.0Mt/a。二水平15號(hào)煤層煤柱回收綜采工作面根據(jù)二水平主皮帶巷、二水平軌道巷及兩側(cè)綜采工作面留設(shè)煤柱設(shè)計(jì)而成，回采過(guò)程中需通過(guò)IX1316回風(fēng)橫川、IX1314回風(fēng)橫川和IX1308進(jìn)風(fēng)橫川等3條頂風(fēng)橋橫川。為確?；夭善陂g支架順利，防止頂板事故發(fā)生需提前對(duì)以上3條橫川進(jìn)行充填。原有填充方案涉及水泥鋪地，架棚、勾頂、支設(shè)木垛等多項(xiàng)工程，工藝復(fù)雜。操作難度大，投入材料成本高，施工時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響采掘銜接。

(3)充填巷道概況

鳳凰山礦IX1316回風(fēng)橫川、IX1314回風(fēng)橫川、IX1308進(jìn)風(fēng)橫川等3條橫川位置如圖1所示，三條橫川均為頂風(fēng)橋橫川，橫跨二水平皮帶巷，橫川與工作面存在本煤層、穿層、煤層上覆關(guān)系。回采前需提前對(duì)以上3條橫川進(jìn)行充填。

圖1 煤柱回收綜采工作面巷道布置圖

工作面正?；夭善陂g需要過(guò)10條空巷，其中一階段8個(gè)，二階段2個(gè)?？障镆来螢椋篒X1316回風(fēng)橫川（距工作面103m處）、二水平六橫川（距工作面117m處）、IX1232巷（距工作面144m處）、IX1227巷（距工作面168m處）、IX1314回風(fēng)橫川（距工作面328m處）、IX1228巷（距工作面351m處）、IX1314回風(fēng)尾巷（距工作面373m處）、二水平五橫川（距工作面574m處）、IX1308（西）運(yùn)料橫川（距工作面784m處）、IX1308進(jìn)風(fēng)橫川（距工作面967m處）。其中IX1316回風(fēng)橫川、二水平六橫川、IX1232巷、IX1227巷、IX1314回風(fēng)橫川、IX1228巷、IX1314回風(fēng)尾巷、IX1308進(jìn)風(fēng)橫川為封閉巷道，IX1308（西）運(yùn)料橫川為風(fēng)門通風(fēng)、二水平五橫川為調(diào)風(fēng)窗通風(fēng)。

3.充填方案優(yōu)化

(1)初始充填方案

考慮支架通過(guò)空巷時(shí)能夠與空巷頂板接實(shí)，從而達(dá)到支護(hù)頂板目的，對(duì)巷道進(jìn)行全斷面充填。煤層上覆巷道采用在地板澆筑≮200mm厚混凝土的方法鋪設(shè)人工假頂，澆筑混凝土?xí)r，必須在距地板100mm處鋪設(shè)一層10#鐵絲編制而成的經(jīng)緯形金屬網(wǎng)，并在網(wǎng)下鋪設(shè)φ≮15.5mm鋼絲繩。在鋪底巷道中部每隔1.5m采用長(zhǎng)度1.5m的板梁、道木支設(shè)木垛與橫川頂部接實(shí)。

穿層巷道范圍采用沿煤層頂板架設(shè)單體柱板梁棚的方式制造人工假頂，假頂上方采用板梁、道木支設(shè)聯(lián)鎖木垛勾頂。煤層頂板位置距巷道底板不足支設(shè)單體液壓柱時(shí)，采用支設(shè)木垛的方式托起棚梁并勾頂。

如圖2所示，如此施工工藝復(fù)雜，所需大量材料，材料投入成本較高，工時(shí)較長(zhǎng)?；夭赏ㄟ^(guò)空巷時(shí)需對(duì)充填材料進(jìn)行回取，木垛液柱受壓回取困難，人員頻繁進(jìn)入煤幫及空巷內(nèi)，危險(xiǎn)系數(shù)高。

圖2 優(yōu)化前二水平煤柱回收綜采工作面填充施工示意圖

(2)充填方案優(yōu)化

由原來(lái)接頂改為護(hù)頂，充分考慮支架特性，回采期間通過(guò)工作面調(diào)偽斜，減少一次性揭露空巷長(zhǎng)度，利用支架前后支撐分次著重接頂，通過(guò)空巷，采用架設(shè)無(wú)腿棚，鋪設(shè)采用架設(shè)無(wú)腿棚、鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)制造人工假頂?shù)姆绞匠涮?，防止揭露空巷時(shí)，空巷頂板冒落至采面，釀成頂板事故。

如圖3所示，通過(guò)沿巷道底板鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)來(lái)制造上覆煤層巷道。菱形金屬網(wǎng)由10#鐵絲制成，規(guī)格LW10/50-1.6×5.0，網(wǎng)目尺寸50mm×50mm，網(wǎng)間搭接形式，搭接長(zhǎng)度100mm，每100mm用雙絞線16#鐵絲擰緊一次。錨桿采用MSGM-235/18×750扭轉(zhuǎn)型樹(shù)脂錨桿，鉆孔直徑28mm，配一種MSK2335錨固劑。

圖3 優(yōu)化后二水平煤柱回收綜采工作面填充施工示意圖

無(wú)腿棚梁采用直徑不小于200mm的紅松圓木，棚距1.5m，棚鉤采用直徑30mm的圓鋼，長(zhǎng)度1000mm，外露無(wú)腿棚鉤不大于200mm，棚鉤上棚梁長(zhǎng)度100-150mm，無(wú)腿棚鉤垂直于巷道幫。在無(wú)腿棚上方鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)，菱形金屬網(wǎng)由10#絲制備，規(guī)格LW10/50-1.6×5.0，網(wǎng)目規(guī)格為50mm×50mm，網(wǎng)間形式為搭接，搭接長(zhǎng)度為100mm，采用雙股16#絲每100mm一個(gè)接頭擰緊，用耙釘或鐵釘將金屬菱形網(wǎng)和無(wú)腿棚固定牢固。如此既能滿足回采過(guò)程中頂板，同時(shí)又能大量減少材料損耗，減少人工，避免回采期間人員進(jìn)入煤幫回取液柱或木垛減少回采過(guò)程中材料運(yùn)出，節(jié)省時(shí)間提高回采效率。

(3)充填保障措施

過(guò)空巷前要進(jìn)行集中排放瓦斯工作，第一次排放瓦斯在工作面回采至距IX1316回風(fēng)橫川20m前，排放IX1316回風(fēng)橫川、二水平六橫川、IX1232巷、IX1227巷空巷內(nèi)的瓦斯。第二次排放瓦斯在工作面回采至距IX1314回風(fēng)橫川20m前，排放IX1314回風(fēng)橫川、IX1228巷、IX1314回風(fēng)尾巷空巷內(nèi)的瓦斯。第三次排放瓦斯在工作面回采至距IX1308進(jìn)風(fēng)橫川20m前，排放IX1308進(jìn)風(fēng)橫川空巷內(nèi)瓦斯。

過(guò)IX1316回風(fēng)橫川空巷時(shí)在二水平煤柱回收綜采工作面軌道巷內(nèi)，距IX1316回風(fēng)橫川上風(fēng)側(cè)不小于10m處安設(shè)兩臺(tái)2×5.5kW的局部通風(fēng)機(jī)，并將風(fēng)筒接至IX1316回風(fēng)橫川口，待工作面將風(fēng)橋割透，造成IX1316回風(fēng)橫川巷道堵塞，風(fēng)量不足時(shí)，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，延伸風(fēng)筒，對(duì)IX1316回風(fēng)橫川進(jìn)行供風(fēng)，并在風(fēng)筒出口前方設(shè)置柵欄，防止人員進(jìn)入，防止割煤時(shí)頂板垮落造成IX1316回風(fēng)橫川無(wú)風(fēng)微風(fēng)導(dǎo)致通風(fēng)瓦斯事故。

過(guò)二水平五橫川空巷時(shí)，提前將二水平五橫川進(jìn)風(fēng)側(cè)調(diào)風(fēng)窗拆除，用二水平五橫川靠二水平煤柱回收綜采工作面回風(fēng)巷側(cè)調(diào)風(fēng)窗進(jìn)行控風(fēng)。過(guò)IX138（西）運(yùn)料橫川空巷時(shí)，在工作面回采至距IX138（西）運(yùn)料橫川5m時(shí)由施工隊(duì)組將IX1308（西）運(yùn)料橫川風(fēng)門進(jìn)行拆除，并在靠二水平皮帶側(cè)施工一道調(diào)風(fēng)窗進(jìn)行控風(fēng)。

4.經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益分析

(1)經(jīng)濟(jì)效益

優(yōu)化前材料耗費(fèi)及人工投入，具體為：348860.64+269100=617960.64元。優(yōu)化后材料耗費(fèi)及人工投入，具體為：76475.34+94185=170660.34元。優(yōu)化方案后減少13天時(shí)間，人工投入上減少507人，材料耗費(fèi)及人工投入節(jié)省447300.3元。

(2)社會(huì)效益

優(yōu)化后與優(yōu)化前相比，可節(jié)省時(shí)間13天，節(jié)約大量材料成本，同時(shí)避免回采過(guò)程中人員頻繁進(jìn)入掌面或煤幫回取液柱、木垛，安全系數(shù)得到了顯著提高，總體施工效率有了巨大提升，對(duì)我礦總體銜接工作的開(kāi)展起到了極大的促進(jìn)作用。

5.總結(jié)

通過(guò)優(yōu)化二水平煤柱回收工作面填充方案為我礦一五三煤柱回收工作面過(guò)空巷填充積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)上述施工方法，現(xiàn)一五三煤柱回收工作面已順利回采結(jié)束，可在類似煤柱回收工程中進(jìn)行推廣應(yīng)用。