煤體再造技術在工作面過空巷中的應用

張勇

（晉能控股煤業集團生產技術部 山西 大同 037000）

1 引言

工作面過平行于切眼的空巷時，存在通風系統紊亂、頂板大面積暴露甚至漏頂等多方面的隱患。傳統的過空巷措施是采取以錨網索為主的主動支護和以木垛、單體液壓支柱為主的被動支護進行聯合維護，這樣的治理措施成本高、施工時間長，回采期間頂板管理困難多、安全隱患大。本文提出了利用粉煤灰和末煤進行配比再造煤體對空巷進行充填的技術，并在同忻礦8201工作面進行現場實踐，確保工作面安全、高效的通過空巷，對其他存在空巷的綜采工作面安全回采起到了良好的示范借鑒作用。

2 工程概況

同忻礦三盤區山2#層8201工作面與相鄰8206工作面共用5201巷（沿空留巷）。可采走向長度1 281.2 m，傾向長度180 m，煤厚2.9 m，一次采全高垮落法管理頂板，低瓦斯，水文類型中等。老頂為19.2 m~25.1 m厚的中粗粒砂巖，直接頂為12.8 m~19.8 m厚的粉細砂巖，直接底為0.78 m~1.16 m厚的粉細砂巖。為避免煌斑巖對回采期間的影響，現場在采位1 017 m位置開掘空巷，巷寬7.7 m，高3.1 m，長度180 m。空巷支護形式為錨網索及單體液壓支柱。工作面平面位置見圖1。

圖1 工作面平面位置圖

3 再造材料選擇和充填工藝

3.1 配比方案

3.1.1 再造煤體模塊材料配比

為獲得不同配比水泥末煤試樣的單軸抗壓強度，給空巷煤體再造材料提供基礎數據，開展水泥末煤的配比試驗，并利用巖石三軸試驗機進行單軸抗壓強度試驗。并采用普通硅酸鹽425#水泥、末煤、速凝劑和水進行配比試驗，其中末煤通過0.8 mm篩孔，試驗模塊按照《混凝土試模》JG237的規定制作為70.7×70.7×70.7 mm的立方體，24 h后脫模，在室內環境下養護5 d。模塊的具體配比方案如下：

方案一：水泥：末煤：速凝劑：水=1：4.2：0.04：0.5

方案二：水泥：末煤：速凝劑：水=1：4.0：0.04：0.5

方案三：水泥：末煤：速凝劑：水=1：3.8：0.04：0.6

方案四：水泥：末煤：速凝劑：水=1：3.6：0.04：0.6

方案五：水泥：末煤：速凝劑：水=1：3.4：0.04：0.6

方案六：水泥：末煤：速凝劑：水=1：3.2：0.04：0.6

方案七：水泥：末煤：速凝劑：水=1：4.0：0.035：0.6

方案八：水泥：末煤：速凝劑：水=1：4.0：0.03：0.6

方案九：水泥：末煤：速凝劑：水=1：4.0：0.04：0.6

3.1.2 再造煤體試樣情況說明

制備再造煤體試樣45塊，成功脫模32塊，脫模后的試樣形態詳見圖2。養護后的試樣呈灰黑色，顆粒明顯，粒徑大多在2 mm～5 mm左右，且大多棱角缺失，脫模方向界面平整度較差。

圖2 脫模后試樣的形態

3.1.3 試樣試驗方案

試驗使用TAW-1000 kN微機控制電液伺服巖石三軸試驗機、電子天平（稱重30 kg，感重1 g）、工程塑料試模（70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm）等。

本試驗按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》JGJ/T70-2009中立方體抗壓強度試驗的規定進行。采用位移控制模式，加載速率控制在0.02 mm/s。試樣抗壓強度按下式計算：

式中：σc為混凝土試件抗壓強度，MPa；

F為試件破壞荷載，N；

A為試件承壓面積，mm2。

3.1.4 試樣試驗結果

方案一試樣平均抗壓強度為1.958 MPa，方案二試樣平均抗壓強度為3.620 MPa，方案三試樣平均抗壓強度為4.742 MPa，方案四試樣平均抗壓強度為3.995 MPa，方案五試樣平均抗壓強度為4.510 MPa，方案六試樣平均抗壓強度為5.717 MPa，方案七試樣平均抗壓強度為3.672 MPa，方案八試樣平均抗壓強度3.530 MPa，方案九試樣抗壓強度為3.189 MPa。考慮現場煤體硬度3.0

3.2 空巷煤體再造施工充填的情況

因此，再造煤體材料采用配比為水泥：末煤：速凝劑：水=1：4:0.035:0.6（重量比）進行混合配比的混合料。在采煤幫側留設的通道寬度1.2 m，通道內支設中心距1.5 m接頂木柱，從2201巷與1.2 m通道交接處中心開始向5201巷方向施工，直至煤體再造區域邊界結束。施工斷面圖及現場施工圖見圖3、4。

圖3 空巷充填施工斷面圖

圖4 現場施工效果圖

3.2.1 再造煤體單軸壓縮試驗

在煤體再造期間培育17塊試樣送至大同大學，養護后的試樣呈灰黑色，部分模塊取樣未壓實，且大多棱角缺失，脫模方向界面平整度較差。取樣地點詳見（表1）。

表1 試樣抗壓強度匯總

單軸抗壓強度匯總詳見（表2）。

表2 試樣抗壓強度匯總

備注：編號3-1、1-5、3-4、3-5模塊由于試樣端面不平整，棱角缺失嚴重，1-4模塊取樣未壓實，致壓模試驗時受力不均勻，產生異常結果，分析時已去除。除5個異常試塊，其它試塊單軸抗壓強度均大于3.5 MPa。

4 過空巷期間的措施

4.1 二切巷頂板施工卸壓孔預裂

為保證工作面通過二切巷再造煤體區域后二切巷頂板及時垮落，防止氣體濃度超標，在二切巷內施工卸壓孔預裂：

（1）二切巷內1.5 m通道與2201巷相交處巷口起，距離煤壁側150 mm，沿二切巷向5201巷方向施工頂板預裂孔，施工范圍15 m，間距500 mm，孔深9.5 m，垂直頂板施工；

（2）二切巷內1.2 m通道與5201巷相交處巷口起，距離煤壁側150 mm，沿二切巷向2201巷方向施工一組頂板預裂孔，施工范圍20 m，間距250 mm，孔深9.5 m，垂直頂板施工。

（3）在5201巷和2201巷二切巷巷口處，施工頂板卸壓孔，距巷幫100 mm，孔徑50 mm，孔距250 mm，傾向采空區75°。5201巷二切巷巷口處孔深8.1 m。2201巷二切巷巷口處孔深9.5 m。致裂卸壓孔分布見圖5。

圖5 致裂卸壓孔分布示意圖

4.2 過空巷期間頂板管理

（1）超前支護管理

當工作面尾部或頭部距空巷50 m時，需加強兩巷超前支護管理工作，如單體有自卸、支設不牢靠、防倒防墜損壞等現象要及時進行更換。如果頂板受采動影響壓力顯現強烈時應加強超前支護，單體柱距縮小至0.8 m，間距不變。同時延長超前支護單體支設距離。

（2）工作面端頭管理

過空巷期間2201巷端頭每次按照一個推移步距進行退錨，不得提前回撤，確保端頭懸板隨采隨落不得大于10 m2。如果頂板破碎可增大退錨步距。5201巷為沿空留巷，要確保支架后方距采空區完全垮落處距離不得大于10 m。

（3）礦壓管理

（a）工作面過空巷期間，要加強礦壓管理工作。隨時觀測支架壓力及尾巷壓力監測數據的變化，并進行分析和預判。

（b）工作面過空巷期間若受動壓、填充區域再造煤體支護強度、硬度不夠等影響，造成巷道頂板破碎出現大面積垮落或者煤壁大量片幫等漏頂跡象時，應采取及時移架、帶壓移架的方式迅速將支架前移，及時打開護壁板。

4.3 過空巷期間工藝管理

為保證工作面安全的通過空巷，減少通過期間揭露空巷的面積，特將工作面調斜后逐段通過空巷。

4.4 通過煤體再造的現場情況

工作面完全通過空巷用時3天。割煤期間，機組截割二切巷再造煤體的過程中與截割煤體情況相似，現場再造填體截割后煤壁平直，工作面頂板及空巷頂板完好，整體無明顯礦壓顯現。通過空巷期間支架平均工作阻力見圖6。

圖6 過空巷期間支架平均工作阻力曲線圖

5 過空巷后的總結

實施煤體再造技術進行充填開采的優勢有：

（1）充填空巷后，強化空巷周圍煤體強度及支承能力，保證了空巷頂板穩定。同時充填體使圍巖形成整體結構，有效支護面積增大，減少了巷道的變形量。充填體具有一定的塑性，可一定程度減弱礦壓作用。

（2）充填體硬度與煤相近，截割充填體時與工作面截割煤體時相似，能保持工作面正常的回采速度通過空巷，使工作面能夠快速通過原空巷區域，提高回采安全性。

（3）充填施工工藝工序較簡單、充填材料易獲得、可操作性較強，較容易施工。同時施工工期短，一天可充填5 m~10 m，可在較短時間內完成空巷的充填。

（4）由于空巷頂板無補強支護，回采充填體后的空巷頂板比普通補強支護頂板更易垮落，垮落周期短不易造成瓦斯積聚。

（5）由于再造煤體材料的主要成分為末煤，材料容易獲得且無毒無害，同時不增加工作面回采期間的原煤的灰分，可以有效保障相關煤質發熱量指標。

6 結論

綜上所述，對于工作面空巷內實施煤體再造，可以保證工作面安全快速的通過空巷，對其他礦井存在空巷的補強支護做出良好的示范作用；同時為空巷提出一種有效的治理手段，具有一定的推廣價值。