孤島工作面過空巷安全技術研究

申明明

（霍州煤電晉北能化有限責任公司， 山西 靜樂 035100）

0 引言

煤炭開采過程揭露的與采面平行、斜交或者垂直布置的斜巷，給采面煤炭回采帶來一定制約[1-2]。特別是采面為孤島工作面時，采面開采范圍內應力集中、開采引起的動壓顯現更為明顯，極其容易導致空巷垮落。現階段礦井普遍通過強化空巷圍巖支護強度方式確保采面過空巷安全，具體措施包括人工搭設木垛、全空巷充填或者補打單體等方式，部分礦井甚至采用跳采過空巷方式[3-5]。在現場應用過程中，人工搭設木垛存在支護強度偏低，當空巷位于采動影響顯著區(qū)時容易出現木垛壓塌、壓垮情況，同時采面液壓支架也容易發(fā)生歪架、倒架等問題；使用單體支護時，會導致部分單體無法回收，導致資源浪費且當空巷底板為承載能力較差的軟巖時，不僅單體在壓力作用下出現鉆底情況而且無法有效支撐空巷頂板；空巷全段充填方式雖然可滿足圍巖控制需要，但是存在施工成本過高、充填材料使用量大、過空巷期間產生大量廢料等問題；跳采方式不僅耗時長而且會導致資源浪費[6-9]。根據采面開采現場實際情況，選擇一種合適的過空巷技術不僅可提升過空巷安全性以及推進速度，而且可降低過空巷成本。本文就以山西某礦3508 孤島工作面為例，分析采面過空巷時采取的安全技術，以期為礦井采面過空巷工作開展積累參考。

1 工程概況

1.1 地質概況

山西某礦3508 孤島工作面位于南翼三盤區(qū)中部，開采5 號煤層，設計走向590 m、切眼長度180 m。采面回采的5 號煤厚3.0m、傾角1°～9°，埋深305m，頂板為硬度4.4 的砂巖、底板為粗砂巖。采面東側及西側分別為開采完畢的3506 及3510 采空區(qū)，北側為采區(qū)邊界，南側為采區(qū)集中運輸、軌道機回風巷。3508孤島工作面采用U 型通風方式，設計的回采巷道凈寬4.5 m、凈高3.0 m，采用錨網索支護方式。

1.2 空巷概況

在3508 孤島工作面開采范圍內存在一條與切眼平行的空巷，該空巷沿著5 號煤層頂板掘進，矩形斷面，空巷全長180 m、凈寬4.0 m、凈高3.0 m，采用錨網索支護方式，全斷面鋪設金屬網，具體支護斷面如圖1 所示，巷道支護參數如表1 所示。由于3508 采面工作面為孤島工作面，采面開采范圍內存在一定程度應力集中，空巷在圍巖應力及采動壓力等作用下原有支護體系容易失效，導致圍巖垮落，給采面回采帶來一定安全風險。

表1 空巷圍巖支護參數

圖1 空巷支護參數（單位：mm）

2 過空巷安全技術措施

實現空巷加固是確保采面安全過空巷關鍵。若采用單體或者木垛方式，不同程度存在資源浪費、支護強度不足等問題；采用全巷充填方式，雖可滿足空巷圍巖加固需要，但是耗時長且支護費用高，經濟性不佳且無法滿足3508 孤島工作面高效推進需要。由于3508 孤島工作面開采的5 號煤層埋深平均305 m，埋深相對較淺、地應力不顯示，空巷支護體系需要應對圍巖應力及采動壓力影響。本文就結合以往研究成果以及其他礦井類似情況空巷支護體系，提出采用充填支柱對空巷進行加固。

2.1 充填支柱材料性能

在空巷內布置的充填支柱主要起到維護空巷頂板穩(wěn)定作用，結合其他礦井過空巷時泵送支護材料，在3508 孤島工作面充填支柱內材料為雙液充填材料，該材料具有早強、速凝優(yōu)點，膠結強度以及凝結時間等可依據現場需要調節(jié)。充填材料部分優(yōu)點為：

1）材料單獨存儲時，6 h 內不會沉淀、沁水；

2）材料混合后，5 min 之內即失去流動性、5～15 min 內即可完全固化；

3）材料在（0.5～2）∶1 范圍內水灰質量比可調節(jié)且漿液結石率均為100%；

4）漿液完全混合2 h 后抗壓強度即可達到8～15 MPa。具體不同水灰質量比條件下雙液充填材料在抗壓強度變化情況如表2 所示。根據現場需要，將雙液充填材料水灰質量比確定為1.1∶1。

表2 不同水灰質量比條件下雙液充填材料在抗壓強度變化

2.2 充填支護布置方式

超前3508 孤島工作面300 m 以外即使用泵送支柱對空巷頂板進行支護，根據現場情況在空巷內設計2 排支柱，支柱直徑均為800 mm，支護高度與巷道高度一致。兩排支護與巷幫間距1 000 mm、兩排支柱排距為2 000 mm、支柱間間距為2 000 mm，兩排支柱布置呈三花眼形式，具體泵送支柱布置情況如圖2所示。

圖2 泵送支柱布置示意圖（單位：mm）

泵送充填支柱充填時使用的設備有注漿泵、攪拌機（高速及低速）、水箱等。具體充填系統結構組成如圖3 所示。采用的注漿泵充填能力為6.0 m3/h，預計耗時30 d 即可實現整個空巷充填。

圖3 充填系統結構組成示意圖

2.3 空巷圍巖控制效果

空巷泵送支柱施工完成后現場情況如圖4 所示。在空巷內布置測點對采面回采時空巷圍巖變形量進行監(jiān)測，結果如圖5 所示。隨采面與空巷間距不斷縮小，空巷圍巖變形均呈先增加后穩(wěn)定趨勢。當采面與空巷間距為25 m 時，空巷內頂底板及巷幫變形量不斷增大；當采面與空巷間距為10 m 時，空巷頂底板最大位移量為395 mm、巷幫收斂量為197 mm；隨采面與空巷間距不斷縮小，空巷圍巖變形量雖繼續(xù)增大但是增加速度緩慢。表明采用泵送充填支柱方式可實現空巷圍巖變形有效控制。

圖4 泵送支柱施工完成后現場

圖5 空巷圍巖變形量

在采面回采過空巷期間，頂板始終穩(wěn)定，僅在靠近空巷20 m 以內出現深度350 mm 的片幫問題，片幫不會影響采面生產。在采面揭露空巷后，空巷頂板有一定下沉，但是空巷支護體系仍可穩(wěn)定，確保空巷圍巖穩(wěn)定。在過空巷期間，空巷內泵送支柱始終保持穩(wěn)定，未出現傾倒、失穩(wěn)等問題。

3 結論

1）3508 孤島工作面回采的5 號煤層埋深均值305 m，采面開采期間地應力顯現不明顯，但是由于采面為孤島工作面，開采動壓影響較為顯著。為確保采面過空巷安全，依據現場情況提出采用泵送支柱方式支護強化空巷圍巖支護。

2）根據現場需要，泵送支柱選用雙液充填材料，該充填材料具備膠結時間以及抗壓強度可調等優(yōu)點，混合膠結后材料抗壓強度可達到8～15 MPa；在空巷內布置2 排充填支柱，支柱直徑800 mm，排距2 000 mm、間距3 000 mm。

3）現場應用后，采面在過空巷期時充填支柱始終穩(wěn)定，空巷圍巖變形量雖然在采動影響下圍巖變形量有所增大但變形量在允許范圍內；采面在過空巷期間頂板始終保持穩(wěn)定，僅煤壁出現小范圍片幫情況，片幫深度在300 mm 以內。3508 孤島工作面采用泵送支護對空巷進行支護，支護體系可確保空巷圍巖穩(wěn)定。