综采工作面过空巷安全治理技术研究_许杰.pdf

492023 年第 5 期许 杰：综采工作面过空巷安全治理技术研究许 杰：综采工作面过空巷安全治理技术研究综采工作面过空巷安全治理技术研究许 杰（山西焦煤霍州煤电木瓜煤矿，山西 临汾 031400）摘 要 针对综采工作面过遗留空巷时存在冒顶和采空区瓦斯泄漏风险，在工程特性分析的基础上，对原顺槽空巷采用顶板锚索补强和水泥墩柱加强支护方式，对横川回采侧和采空侧采用两种强度的充填体全部充填。效果考察表明：回采期间，水泥墩柱维护情况良好，顶板下沉量不超过 150 mm，充填体有效保证了空巷稳定，未发生片帮冒顶事故和瓦斯超限。关键词 综采；空巷；支护；治理 中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.016Research on Safety Administer Technology for the Fully Mechanized Mining Face Passing Through the Empty RoadwayXu Jie(Shanxi Coking Coal Huozhou Coal Electricity Mugua Coal Mine,Shanxi Linfen 031400)Abstract:Aiming at the risk of roof fall and gas leakage in the goaf when the fully mechanized mining face passes through the left goaf,based on the analysis of engineering characteristics,the roof anchor cable reinforcement and cement pier column strengthening support are adopted for the original groove empty roadway,and two types of strength filling materials are used for both the Hengchuan mining side and the goaf side for filling.The effectiveness inspection shows that during the mining period,the cement pier column is well maintained,and the roof subsidence amount does not exceed 150 mm.The filling body effectively ensures the stability of the empty roadway,and there are no accidents of roof falling and gas exceeding limit occurr.Key words:fully mechanized mining;empty roadway;support;administer收稿日期 2022-11-02作者简介 许杰（1988），男，山西霍州人，2017 年毕业于安徽理工大学采矿工程专业，本科，助理工程师，现从事煤矿综采工作面矿压监测工作。许 杰：综采工作面过空巷安全治理技术研究许 杰：综采工作面过空巷安全治理技术研究木瓜煤矿正在采用小煤柱沿空掘巷技术，可以多回收煤柱，提高资源采出率。但掘巷后原有的回采系统发生变化，出现跨空巷回采以及易与采空区沟通形成瓦斯泄漏问题，给回采带来较大的安全隐患1-2。以木瓜煤矿10-208综采工作面为研究对象，研究沿空掘巷工作面遗留空巷治理技术。1 工程背景10-208 工作面位于二盘区，开采 9#煤和 10#煤合并层，总厚度 4.5 m，两层煤之间夹矸厚度 0.20.4 m，煤层平均倾角 8。工作面设计走向可采长度457.6 m，倾向长度 222.5 m，采用一次采全高后退式综合机械化采煤法。直接顶为泥岩，均厚 5.9 m，质软性脆，基本顶为灰岩和泥岩互层，总厚度17.5 m，十分坚硬。10-208 工作面布置两条顺槽，10-2081 巷为进风巷，设计断面宽 高=5.3 m4 m，10-2082 巷为回风巷，设计断面宽 高=4.8 m4.0 m，均采用锚索网联合支护。顶锚杆长度 2 m，间排距 1300 mm1200 mm，顶锚索长度 5.3 m，间排距 2000 mm2400 mm，帮 锚 杆 长 度 2 m，间 排 距 1300 mm1200 mm。10-208 工作面西侧为 10-206 工作面，已经回采完毕，东侧为实体煤，尚未开采。在 10-206 工作面回采期间，10-208 工作面顺槽巷道及切眼已经布置完毕，等待安装。10-206 工作面与 10-208 工作面之间原留设净煤柱宽度 18 m，为提高资源采出率，减小煤柱资源损失，在 10-206 工作面采空区稳定后，沿采空区新掘进 1 条巷道，宽度 5 m，与 10-206 工作面之间留502023 年第 5 期设净煤柱宽 3 m，剩余 10 m 煤柱和 10-2081 巷划入10-208 工作面回采范围。如图 1。图 1 沿空掘巷与工作面位置示意图（m）新的回采系统形成后，工作面需要跨 10-2081巷以及 2#、3#、4#、5#横川回采，横川与采空区贯通。跨空巷回采主要面临顶板下沉和采空区瓦斯泄漏问题，必须采取处理措施。2 空巷特性分析及治理思路2.1 工程特性分析10-2081 巷宽度 5 m，高度 4 m，与切眼呈垂直关系，帮部和顶部实施了锚网索支护，支护强度合理。工作面推进过程中，对空巷的主要影响是超前支承压力作用，与两顺槽类似，影响范围为超前 20 m，同时有 3 个支架始终处于空帮状态，如图 2。空帮导致顶板缺少支撑，超前段在压力作用下容易发生顶板严重下沉，甚至冒顶事故。图 2 10-2081 巷工程特性示意图（m）横川被沿空掘巷分割为两部分，回采侧部分（宽度 10 m）和采空侧部分（3 m），如图 3。图 3 横川与掘巷位置关系回采侧部分工作面需要通过，因与切眼呈平行关系，整段受超前支承压力影响；在工作面逐渐靠近横川，间隔煤柱逐渐变薄，煤柱以及回采侧部分在顶板压力作用下发生严重的片帮和顶板下沉；工作面进入横川后，倾向上10 m长（横川回采侧长度）空帮，约6个支架完全暴露，前方5 m长（横川宽度）顶板无法支护，极容易发生严重的冒顶事故。采空侧部分工作面无需通过，受采动影响相对较小，主要问题是与采空区贯通，容易发生瓦斯泄漏或新鲜风流进入采空区，造成通风事故。2.2 治理思路10-2081 巷对回采安全影响较小，治理以巷道加强支护为主，提高顶板承载能力，保证回采期间完整性，减小顶板下沉量。横川对回采安全影响较大，应采取全部充填方式，回采侧全部充填目的是限制横川变形空间，保证巷道完整性，充填体将来需要采煤机截割，因此无需过高强度；而采空侧需要严格防止漏风，需要保证充填体有较高的强度，不发生压缩下沉、碎裂现象导致漏风。3 空巷治理方案3.1 10-2081 巷加强支护采用顶板锚索补强和水泥墩柱加强支护方式。顶板锚索补强：在原两排锚索之间新补打 1 排锚索，布置方式与原锚索布置方式一致。如图 4。图 4 10-2081 巷顶板锚索补强示意图（mm）水泥墩柱：在巷内施工一排水泥墩柱，采用阻燃抗静电风筒布制作成圆柱形柔膜袋，直径 2 m，512023 年第 5 期许 杰：综采工作面过空巷安全治理技术研究许 杰：综采工作面过空巷安全治理技术研究高度4.2 m，上部设计有吊环，可以吊挂在顶板固定。考虑承载能力和施工因素，设计水泥墩柱中心距 4 m。如图 5。巷道高度 4 m，柱子内部采用分层设计，下部3.8 m设计强度12 MPa，顶部0.2 m为可压缩层，压缩量 15%，防止顶部压力过大柱子劈裂，设计强度 6 MPa。图 5 水泥墩柱布置示意图（m）3.2 横川全部充填沿空掘巷后，贯通横川，在横川内共计施工 4道闭墙，如图 6。图 6 横川闭墙施工位置示意图其中闭墙 1 和闭墙 2 目的是封闭回采侧两侧，闭墙 3 和闭墙 4 目的是封闭采空侧两侧。闭墙 1、2、3 均可以施工简易闭墙，采用“木点柱+木板+风筒布”方式，用于防止浆液泄漏，闭墙 4 需要严格防范浆液向采空区泄漏，施工1道混凝土墙，厚度0.5 m。闭墙施工完毕后，向封闭空间内充填浆液，回采侧充填体设计强度 2 MPa，采空侧充填体设计强度 12 MPa。3.3 多功能充填材料因 10-2081 巷水泥墩柱和横川需要 12 MPa、6 MPa、2 MPa 共 3 种强度材料，为避免现场混乱，使用一种多功能充填材料，通过调整水灰比实现不同的强度要求。多功能注浆材料为无机材料，AB 双组分，粉末状，使用时分别加水搅拌，单浆使用水灰比1:14:1，单浆可以存放 12 h 不发生明显变化，能够实现远距离输送，避免频繁挪泵，固结体强度随着水灰比增大而减小，凝结时间 510 min 可调，可以有效减轻对闭墙的压力，防止闭墙倒塌。凝结后强度快速增长，具备速凝早强特征，3 d 强度达到最终强度的 90%以上。不同水灰比条件下强度参数见表 1。选用 1:1、2:1、4:1 三种水灰比，分别可以实现 12 MPa、6 MPa、2 MPa 三种强度需求。表 1 多功能注浆材料强度参数表水灰比凝结时间/min材料消耗量/（t/m3）强度/MPa2 h1 d3 d1:150.95810132:170.621.23.86.53:180.331.02.63.94:1100.250.81.82.53.4 充填设备空 巷 充 填，无 需 过 高 注 浆 压 力，满 足 浆液 输 送 即 可。选 用 1 台 大 流 量 的 液 压 注 浆 泵ZBYSB210/9-18.5 kW，额定流量 210 L/min，2 台电动搅拌桶 JB1000，容积 1000 L，配套 DN32 高压注浆管路和混合器，组成充填系统。实际充填能力10 m3/h。将充填系统和材料布置在 10-2081 巷与 5#横川交叉口附近，通过铺设长距离管路，远距离泵送，完成所有的充填作业。4 工程量及效果考察1）10-2081 巷长度 457.6 m，共实施 115 根水泥墩柱，使用柔膜袋 115 个，单根柱子使用材料约 10 t，共使用 1186 t。4 个横川共充填空间 1040 m3，消耗材料 430 t，总计消耗充填材料 1616 t。材料单价 2000 元/t，材料费用 323.2 万元。其他柔模袋费用、注浆设备费用、施工费用等共 122.8 万元。实施费用总计 446 万元。2）新方案多回收 15 m 煤柱，按照 95%采出率，多回收煤炭资源 3.65 万 t，按照 600 元/t 计算，经济价值 2190 万元，除去开采成本和实施费用 1440万元，新增净利润 750 万元。3）在充填结束后，对水泥墩柱接顶效果考察，发现绝大部分柱子与顶板紧密贴合，部分存在间隙，间隙宽度在 030 mm 之间，通过填塞编织袋、木板等填实。对横川充填接顶效果进行考察，采用钻探方式，探测顶部是否有空隙，未发现有超过 10 cm的空隙，无需处理，较小的空隙能够在超前支承压力作用下压实，对回采无影响。4）工作面回采过程中，过 10-2081 巷期间，尚未被采煤机截割到的水泥墩柱维护情况良好，未发生倾斜、倒塌现象，顶板平整，观测下沉量不超过150 mm；过横川期间，充填体与顶板和煤帮结合良好，低强度充填体能够快速截割，回采过程中未发（下转第 54 页）542023 年第 5 期生片帮冒顶现象。同时，在横川口位置对瓦斯含量进行持续观测，工作面回采期间，未发生瓦斯超限情况。5 结论1）沿空掘巷工作面回采系统发生变化，遗留空巷存在冒顶和采空区瓦斯泄漏安全隐患，在对工作面回采影响分析的基础上，提出了针对性的治理思路，原顺槽空巷以补强支护为主，横川采用全部充填方式。2）设计了空巷治理方案，对原顺槽空巷采用顶板锚索补强和水泥墩柱加强支护方式，对横川回（上接第 51 页）风机顺延风筒通风，施工人员应加强保护意识，若空气出现异常，应立即撒离。从上口施工期间，要保证有足够作业空间，作业人员必须携带一台瓦斯便携仪，瓦斯便携仪悬挂在作业地点 3 m 范围内，方便监测瓦斯情况，瓦斯浓度超过 0.5%时应立即撒出。向下运料期间，应在溜煤眼上方安装一个滑轮，使溜绳配合滑轮向下运送物料。向下运料期间，下方严禁有人，待物料运到位后再下人。5）施工期间，严禁从溜煤眼下口进入溜煤眼内；施工前，要对脚手架钢丝绳绳扣进行检查，必须保证绳扣紧固，滑轮完好；施工期间，溜煤眼上口西侧铺木板或钢焊网，防止地面塌陷、人员坠落。6）施工深度超过 5 m，作业人员上、下绳梯时，溜绳要系在安全带上面，使用溜绳进行防护；施工期间，随时保证溜煤眼能放煤，确保架棚施工脚手架比存煤高 0.20.5 m；架 U 型钢棚期间，从上向下施工，使用钢焊网、荆笆和编织袋背帮，每架支架上 6 根拉杆。7）架棚期间，U 型钢棚空帮使用坑木打撑杆，每棚打 23 根，防止施工期间 U 型钢棚摆动；架棚结束后，先喷浆后浇灌，喷浆要喷实喷平，喷浆厚度以将 U 型钢前侧喷平为准；加固溜煤眼期间，生产准备队、生产技术科安排主管技术员以上人员现场跟班监督。4 防范措施1）溜煤眼套“O”形 U 型钢支架、壁后浇灌充填加固后，为防止大砟块砸 U 型钢支架，溜煤眼内吊挂防冲击铁链。在输送机头对帮溜煤眼吊挂 6 道链环钢筋 30 mm 大链子垂入溜煤眼内，每道长度810 m，链子间距 0.3 m。链子吊挂时，需距溜煤眼上段 U 型钢外壁 0.20.3 m，缓冲砟块对溜煤眼内壁冲击。2）正常生产班溜煤眼要保持存煤，存煤高度不低于溜煤眼上口 8 m。3）综采二队 20051 工作面控制砟块大小，防止超过 300 mm30 mm 的砟块进入溜煤眼。5 应用效果1）使用“O”形 U 型钢支架套棚+喷浆+壁后充填加固技术，U 型钢支架与喷浆、壁后注浆+连锁形成一个整体，保证了溜煤眼支护整体稳定性，避免溜煤眼内壁片帮、离层、变形情况发生。2）使用U型钢支架套棚后喷浆+壁后注浆加固，对溜煤眼内部岩层涌水起到封填作用，减少溜煤眼内涌水量，使溜煤眼能够正常存煤。3）加固施工方案施工期间，自上而下套 U 型钢支架加固，作业人员能够在“O”形 U 型钢套棚支架的掩护下工作，人员无须进入溜煤眼下部和空洞部分，安全可靠。【参考文献】1 王玉杰.溜煤眼受煤方式优化设计研究与应用 J.山东煤炭科技，2017（10）：9-10.2 张选松.工作面溜煤眼加固技术研究 J.煤炭工程，2013，45（S1）：38-39.采侧和采空侧分别密闭后，设计了两种强度的充填体，选用一种多功能注浆材料，通过水灰比调节强度，完成不同的强度需求。3）效果考察表明，工作面回采期间，水泥墩柱维护情况良好，顶板下沉量不超过 150 mm，充填体有效保证了空巷稳定，工作面安全通过空巷区域，未发生片帮冒顶事故和瓦斯超限。【参考文献】1 焦圆圆.下分层工作面过超高平行空巷充填技术研究 J.山东煤炭科技，2021，39（02）：92-94.2 孟碧坤.2637 巷掘进过交叉空巷技术研究与应用J.山东煤炭科技，2022，40（09）：42-43+47.