殘煤復采工作面過空巷群技術研究及應用

解宏亮

（山西焦煤華晉焦煤有限責任公司，山西 呂梁 033000）

殘煤復采可以有效提高礦井資源回收率，延長礦井服務年限[1-2]。資源整合礦井，由于小窯開采影響，存在大量空巷，對礦井安全開采影響很大[3-5]。

1 工程概況

錦瑞煤業目前開采8 號煤層，隨著易采資源的采出，目前未采資源多為老巷空巷和小窯破壞遺留煤炭資源，工作面回采期間將穿越大量空巷和小煤窯破壞區。8 號煤層平均厚3.21 m，傾角平均5.6°，煤層頂板為石灰巖。8102 工作面推進長度614 m，切眼長度150 m。8102 回風順槽在掘進過程中和8102 工作面回采過程中會經過原設計8104 運輸順槽和回風順槽及整合之前的舊巷道。8102 工作面共計有11 條空巷，有7 條空巷大致與切眼平行，最長約151.5 m，4 條空巷與切眼斜交，其中最長的空巷長度266 m，最短的空巷長度4.7 m。

2 過空巷群方法選擇

為了選擇合適的過空巷群方法，結合錦瑞煤業實際生產地質情況，采用數值模擬技術對木垛支護、錨桿支護和膏體材料充填支護三種支護情況下空巷圍巖穩定性進行分析。

2.1 木垛支護

工作面在距空巷100 m 時，巷道圍巖垂直應力很小，空巷并未受到工作面影響，空巷周圍塑性區為掘進時引起的，以拉張破壞為主。空巷距工作面40 m 處時，由于工作面超前支承壓力作用，其垂直應力值明顯增大，但此時空巷穩定。之后隨著工作面不斷推進，巷道垂直應力逐漸增大，特別是在空巷與工作面距離小于30 m 時，巷道周圍應力重新分布，空巷上下幫所受應力不均勻，導致巷道水平方向出現錯動，巷道內變形嚴重。該區域巷道圍巖塑性區面積同樣不斷增大，而且顯現出淺部圍巖以拉張破壞為主、深部以剪切破壞為主特征。采用木垛支護過空巷時，由于木垛支護強度小，讓壓范圍大，導致工作面超前支承壓力對空巷圍巖作用大，空巷圍巖出現明顯的塑性破壞，使得巷道空巷圍巖不穩定，頂板易出現臺階下沉甚至垮落，難以安全高效過空巷。垂直應力分布如圖1。

圖1 木垛支護下距工作面不同距離垂直應力分布

2.2 錨桿支護

當工作面在距空巷100 m 時，巷道圍巖垂直應力很小，在工作面前方大約40 m 處垂直應力較大，可能受到工作面超前應力的影響，但此時空巷穩定；空巷圍巖未受到工作面推進影響，塑性區以自身在前期掘進時引起的拉張破壞為主。而隨著工作面不斷推進，推進至40 m 處，巷道圍巖應力逐漸增大，尤其是距空巷距離小于30 m 后，巷道周圍應力重新分布，空巷上下幫所受應力不均勻，巷道下幫部受力明顯大于上部，底鼓嚴重，這與木垛支護的水平錯動不同。同時，錨桿錨索支護下巷道圍巖應力分布要稍小于木垛支護，更為穩定。空巷圍巖塑性區面積同樣隨著工作面不斷推進而增大，而且顯現出淺部圍巖以拉張破壞為主、深部以剪切破壞為主的特征。采用錨桿支護時，圍巖拉張破壞區域較木垛支護時要小，說明錨桿錨索支護空巷好于木垛支護。但當工作面割過空巷時，液壓支架不能及時移至煤壁，增加了端面控頂距，易發生片幫、冒頂，不能從根本上解決過空巷的安全技術問題。垂直應力分布如圖2。

圖2 錨桿支護下距工作面不同距離垂直應力分布

2.3 充填支護

采用空巷充填的方式進行空巷支護，由于充填體在充滿空巷空間的同時，還能夠滲透到圍巖淺部裂隙內，其可與空巷圍巖形成一個整體，隨著工作面距空巷距離的逐漸減小，能夠與圍巖共同承載，充填支護效果明顯，能夠有效降低掘進引起的圍巖應力變化。同時由于充填體的支護作用，空巷圍巖在工作面超前支承壓力作用下，未出現新的塑性破壞，其塑性區的分布范圍遠遠小于前兩種支護方式下的空巷圍巖，主要以拉張破壞為主。垂直應力分布如圖3。

圖3 充填支護下距工作面不同距離垂直應力分布

3 空巷充填技術工藝

3.1 充填物料

粉煤灰、添加劑、水的配比：粉煤灰950 kg/m3；添加劑45 kg/m3；水655 kg/m3。充填材料比重1.65。28 d 后充填體強度平均2.57 MPa。

3.2 充填系統

利用地面黃泥注漿站的設施及設備加以改造為充填站，在充填站旁布置三個粉料倉，兩個作為粉煤灰倉各100 t，一個作為添加劑倉30 t。攪拌池內安裝充填泵，攪拌機安裝在充填泵上方，并在攪拌機內按照預定配比、預定濃度將粉煤灰、添加劑、水攪拌混合制成充填漿體，經過充填泵加壓后通過管道輸送至工作面舊巷。

3.3 充填方式

對8102 工作面內空巷按照由里向外的順序進行充填，每條充填巷道根據坡度情況分段。巷道坡度在0～3°以內，充填距離控制在20 m；巷道坡度在3°～5°，充填距離控制在30 m；巷道坡度在5°以上，充填距離控制在40 m。原則上一次性充填局部整個空巷，同時必須保證膏體充實巷道，否則必須減小充填分段距離。采用單體支柱、木板、彩條布、編織袋等，沿充填巷道傾向建立擋漿墻，單體支護間距0.5 m，初撐力不小于90 kN。待第一段充填完畢，約在8～10 h 充填體達到初凝，無流動性，成為凝結體，并根據下一段充填距離掐管至第二道擋漿墻位置，并在第二段位置搭建擋漿墻，重復操作直至將巷道充填完畢。

4 應用效果分析

8102 工作面空巷量大，采用充填支護空巷，首先可以避免空巷內頂板支護作業和工作面空頂作業，作業更加安全；其次采用充填支護后，其工期相比木垛、錨桿支護縮短近80%，減少了大量的井下輔助運輸量，工作效率明顯提高。

8102 工作面回采過空巷期間，對工作面采煤機割充填體情況、充填體破壞情況、空巷頂板漏頂情況等進行了觀測分析。工作面采煤機可以直接切割充填體，與割煤效果相仿，提高了工作面推進速度；同時充填體完整性較好，未出現大范圍破壞現象，工作面頂板安全穩定。

5 結語

以錦瑞煤業8102 工作面過空巷群為研究對象，通過數值模擬分析，確定了充填支護過空巷群的方式，并進行了井下試驗。工業試驗表明，采用充填支護過空巷，工作面效率高、作業環境好，同時工作面頂板穩定、安全性高，確保了工作面安全高效過空巷。