大煤柱回收工作面過廢棄巷道回采技術研究

薄勇吉

(山西焦煤集團有限責任公司,山西 太原 030000)

隨著礦井開采時間延長,采掘深度不斷增加,可采資源儲量也在不斷減少[1-2]。淺部存在眾多的護巷煤柱,若實現護巷煤柱回收不僅有利于提高煤炭資源回收率而且有利于增加礦井經濟效益,同時保護煤柱由于受到采動影響,往往不具備瓦斯突出危險性[3]。但是在煤柱回收時也面臨圍巖應力集中、煤柱內廢棄巷道多等問題,增加了采面頂板管理、通風以及瓦斯治理難度[4-5]。為此,部分學者對煤柱工作面過廢棄巷道回采技術進行了研究,其中王帥[6]針對郭莊礦殘采區巷道過空巷問題,提出通過超前注漿方式對空巷圍巖進行加固,并輔助其他支護方式確保了巷道過空巷安全;劉峰[7]針對經坊礦3- 05邊角工作面過空巷現場條件,采用理論分析方法構建空巷頂板力學模型,并計算確定維持空巷圍巖穩定的最小支護阻力,結合現場條件提出采用分段阻隔充填方式為采面過空巷創造良好條件;蔡俊林等[8]針對南莊礦八采區煤柱工作面回采過空巷問題,通過數值模擬技術方法對空巷充填后圍巖應力分布、塑性區及變形情況等進行分析,并給出充填技術方案,現場應用后確保了煤柱工作面安全過空巷。山西某礦為實現煤炭資源綜合利用,提出回收淺部保護煤柱,其中2111工作面為21采區大煤柱回采工作面,采面回采范圍內分布的多條廢棄巷道在一定程度上影響采面生產效率并存在一定安全風險,為此,結合現場條件提出廢棄巷道支護、補強及過廢棄巷道安全技術措施,實現了采面安全回采。

1 工程概況

山西某礦持續生產已超過50 a,現階段已進入到深部開采,煤炭回采時受水、地質構造以及瓦斯等影響較為顯著,煤炭產量及經濟效益等均出現一定程度下滑。為提高煤炭資源回收率、增加經濟效益,該礦提出回收淺部的2號、3號、7號等煤層保護煤柱,其中2111工作面為21采區保護煤柱工作面,采面開采2號煤層,煤層厚度均值3.8 m、傾角0°～9°,賦存穩定,頂底板巖性以粉砂巖、泥巖以及砂質泥巖等為主,2號煤層煤質為優質無煙煤,開采經濟效益十分顯著。2111工作面布置傾向長度為260 m、走向長度為590 m,采用綜采開采方式,采面開采范圍內分布有21采區運輸上山、21采區回風上山、2110膠帶巷、聯絡巷等多條廢棄巷道,具體情況如圖1所示。21采區運輸上山、21采區回風上山均為穿層巷道,巷道部分為煤巷、部分為巖巷(巖巷見圖1陰影部分)。

圖1 廢棄巷道分布示意

采面內,對回采影響較為明顯的廢棄巷道為21采區運輸上山、21采區回風上山、2110膠帶巷聯絡巷,上述廢棄巷道斷面均為矩形,凈寬、凈高分別為4.7 m、3.3 m,巷道圍巖均采用錨桿+金屬網+M鋼帶支護方式。采面內廢棄巷道在采動壓力影響下圍巖變形量大,嚴重時出現原有支護體系失效等問題,給采面回采帶來較大制約。為此,針對性地提出廢棄巷道補強支護及過巷道期間的安全技術措施。

2 廢棄巷道補強支護

2.1 煤層巷道補強

2111工作面內,對回采影響較為明顯的廢棄巷道為21采區運輸上山、21采區回風上山、2110膠帶巷聯絡巷,巷道斷面一致且均為矩形巷道,凈寬、凈高分別為4.7 m、3.3 m,由于2號煤層埋深較淺,開采期間地應力不明顯,巷道原采用的錨桿+金屬網+M鋼帶支護方式,巷道圍巖控制效果較好。為避免煤柱工作面回采期間,在采動壓力作用下導致原有支護體系失效或者巷道斷面變形明顯增加等問題,結合現場情況提出采用槽鋼、錨索方式進行補強。具體補強加固措施為:頂板采用16B槽鋼錨索梁補強,槽鋼錨索梁按照1 600 mm間距布置2排錨索,錨索規格為Φ21.6 mm×7 300 mm;巷幫布置2排規格21.6 mm×5 300 mm的錨索進行補強,間排距為1 000 mm×1 600 mm.補強加固后的巷道支護斷面如圖2所示。

圖2 補強加固斷面圖(單位:mm)

在采面過21采區運輸上山、21采區回風上山時,在采面巷道口及上下3架支架上鋪設金屬網,以便增強頂板控制效果。

2.2 底板巷道補強

在2111煤柱工作面回采期間,煤層底板巷道在采動壓力作用下容易出現頂板離層、巷幫收斂或者支護體系失效等問題,嚴重時會導致采面底板出現錯臺、液壓支架下陷等問題。為此,依據巷道與采面底板層間距采用不同支護密度的木垛進行加固,層間距在0～3 m、3～6 m、6～8 m時分別采用田字交錯、田字以及口字布置方式布置木垛,具體補強支護斷面如圖3所示。木垛使用的木料長度均為2.4 m,相鄰的木料間采用鐵絲綁扎牢固,確保木垛穩定。

圖3 底板巷道補強支護示意

3 采面過廢棄巷道安全技術措施

1) 在2111煤柱工作面回采期間,通過調斜方式減少1次揭露廢棄巷道面積并提高廢棄巷道與采面間三角煤穩定性。

2) 在揭露同層為廢棄巷道時,應強化乳化液系統管理,確保液壓支架初撐力在要求范圍內,以便給采面頂板足夠的支撐強度;同時在采面液壓支架前輔助采用π型鋼+單體支護,減少廢棄巷道懸露面積,提高巷道穩定性。

3) 由于采面底板存在廢棄巷道,在揭露底板廢棄巷道時采面與廢棄巷道間層間距較小,底板容易出現塌陷問題。為此,在采面回采前即可根據現場情況確定不同推進位置與下覆底板廢棄巷道層位關系圖,精準掌握底板與廢棄巷道層間巖性情況,對采面支架進行分區管理,并控制支架工作壓力;必要時可在支架底板上襯墊木、采用單體調整支架狀態等,避免回采期間出現倒架、下陷底板或者擠架等情況出現。

4) 在采面過廢棄巷道期間,強化廢棄巷道內有害氣體監測以及通風管理,確保采面各位置及廢棄巷道內有害氣體、氧氣體積分數始終在安全范圍內。

4 結 語

1) 2111煤柱工作面兩側均為采空區,采面開采范圍處于應力增高區,同時采面內存在多條廢棄巷道,制約煤炭回采。廢棄巷道在采動壓力、圍巖應力等多重因素影響下,容易出現大變形、圍巖垮落甚至支護體系失效等問題,實現廢棄加固,確保回采期間廢棄巷道圍巖穩定是實現2111煤柱工作面安全回采的重要前提。

2) 根據2111煤柱工作面內廢棄巷道分布情況確定加固措施, 21采區運輸上山、21采區回風上山均為穿層巷道,巷道部分為煤巷、部分為底板巖巷;2110膠帶巷聯絡巷則全為煤巷。廢棄巷道為煤巷時則頂板采用槽鋼錨索梁、巷幫采用錨索補強;廢棄巷道為底板巖巷時采用木垛進行支護,并依據巷道與采面層間距確定木垛布置形式,即層間距越小,木垛布置間距越小,支護強度越大。

3) 現場應后,2111煤柱工作面在過廢棄巷道期間,巷道圍巖及采面煤壁等始終保持穩定,未出現圍巖大變形、片幫、支架失穩等問題,實現了煤柱工作面的安全高效回采。