厚煤层破碎区综放面采空区封闭方法

周仲林

(山西省阳泉固庄煤矿，山西 阳泉 045060)

厚煤层破碎区综放面采空区封闭方法

周仲林

(山西省阳泉固庄煤矿，山西 阳泉 045060)

针对厚煤层破碎区综采放顶工作面采空区封闭效果差，极易发生采空区煤炭自燃的现象，提出超前注浆加固工作面保护煤柱和变形破坏的巷道、永久闭墙采用顶部拱形掏槽和注浆堵漏的方法。封闭采空区效果良好，有效地防止了采空区煤炭自燃。

厚煤层；破碎区；综放面；采空区

山西省阳泉固庄煤矿15号煤层，二采区15205综放面、五采区15504综放面回采完毕一年后，因采空区封闭效果差，采空区发生自燃火灾，灭火后又多次复燃，严重影响了安全生产。15704综放面位于丈八七采区向斜构造区，煤层破碎，与15205综放面条件相似，为增强采空区封闭效果，防止发生自燃火灾，对厚煤层破碎区综放面采空区封闭方法进行了探讨。

1 工作面概况

1.1 煤层地质情况

15704工作面位于丈八七采区向斜构造的轴部，有伴生断层构造，该区域内煤层破碎。所采煤层为15号煤层（俗称丈八煤），煤层厚度6～7 m，煤层顶板分为伪顶、直接顶、老顶，伪顶为0.2 m左右的黑色页岩，直接顶为灰色砂质页岩，厚约1.2～2.0 m，老顶为K2石灰岩，底板为泥岩或含黄铁矿泥岩，局部为粉砂质泥岩。矿井为高瓦斯矿井，煤层本身具有自燃发火倾向和煤尘爆炸危险性，自燃发火为1 a左右。

1.2巷道布置

15704进、回风巷沿15号煤层底板布置，全煤巷矩形断面，设计掘进宽度4.3 m，高度2.6 m，采用锚网索（锚杆、锚索、W钢带、槽钢梁、金属网联合）支护，巷道顶板为4.4 m厚的煤顶；15704尾巷沿15号煤层顶板布置，全煤巷矩形断面，设计掘进宽度4.0 m，高度2.2 m，巷道顶板为煤层直接顶，采用锚索（锚杆、锚索、W钢带联合）支护。

1.3 开采顺序及采煤方法

15号煤层共布置7个回采工作面，两工作面间保护煤柱为25 m，一个工作面回采，一个工作面掘进准备，采区工作面开采顺序为后退式顺序开采。15704工作面回采完毕时，外侧已封闭的15703工作面采空区，内侧为正在初采期的15705工作面。

15704工作面采用综采放顶煤一次采全高法，机采高度为2.5 m，放顶煤高度为4.5 m左右，工作面回采率为80%左右，采空区存在大量浮煤。

2 采空区封闭方法的确定

2.1 采空区封闭方法确定依据

15205 综放面在采空区封闭一年后发生自燃火灾，着火位置在进、回风巷封闭墙以里，由停采线向采空区延伸20 m的范围，尤其是撤架巷回风侧隅角火势最猛。15205回风巷侧靠近正在回采15206工作面进风巷，两工作面间保护煤柱为25 m，煤柱破碎，15205回风巷变形破坏严重，永久闭墙封闭不严，15206工作面进风流，通过破碎煤柱的裂隙漏至15205回风巷，又通过永久闭墙空隙渗入采区回风巷，采空区浮煤氧化生热，热量积聚，温度达到煤的着火点，发生自燃火灾。

15704综放面位于向斜构造的轴部，受构造应力和相邻综采放顶煤工作面的采动影响，工作面间保护煤柱破碎漏风，进回、风巷道顶帮破碎变形，永久闭墙不易封闭严实而漏风，导致采空区封闭不严，采空区煤炭自燃，发生内因火灾，因此，采空区封闭应从“加固堵漏”入手。

2.2 采空区封闭方法的确定

15704综放面进、回风巷采用锚网索（锚杆、锚索、W钢带、槽钢梁、金属网联合）支护，巷道破碎变形后其完整性受到破坏，内部节理、裂隙发育，影响锚杆锚索等支护构件预紧力的施加及其在围岩中的扩散，进而影响支护效果。围岩注浆可以充填裂隙、并以锚网索为构架，将破碎围岩重新组合成类似“钢筋混凝土”的一个整体，提高围岩承载能力和恢复围岩结构完整性，可通过再紧固锚杆锚索等支护构件方法，恢复一部分支护强度，是加固破碎围岩锚杆锚索支护巷道，封堵裂隙的直接、有效手段。

因此，采用注浆技术加固变形破坏的进、回风巷道和工作面间保护煤柱，封堵煤层裂隙，永久闭墙的掏槽采用锚索支护加固并注浆堵漏的方法封闭采空区。

3 采空区封闭方法

3.1 注浆加固变形破坏巷道的方法

采用注浆技术利用注浆设备将新型高分子材料浆液压入煤岩体，来充填和固结煤岩的裂隙面，加固破碎煤岩，使锚杆、锚索的锚固段稳固，提高支护强度，既控制了巷道变形破坏又封堵煤层裂隙防止了漏风。

3.1.1 变形破坏巷道加固位置和范围

变形破坏巷道必须回撤工作面液压支架前加固完毕，若等工作面回收完毕后，工作面通风系统被破坏，不具备注浆加固施工的安全条件。加固位置在进、回风永久封闭墙以里至停采线各20 m的范围，进、回巷在采区巷道保护煤柱该范围内，巷道两帮均为实体煤。

3.1.2 注浆施工参数

注浆施工参数主要有，注浆浆液、注浆深度、注浆压力、扩散半径、单孔注浆量、注浆孔径。由于各参数之间相互影响，且又受具体的巷道围岩条件、裂隙发育状况等影响和制约，为了确保注浆参数准确合理，在现场进行试验，用GN-1型固特珑化学双浆液作业注浆材料，找出在不同注浆压力作用下对浆液扩散半径影响，以确定决定注浆孔布置的重要参数即注浆扩散半径。

注浆深度。现场打眼钻探，用巷道煤层破碎深度范围，确定注浆深度不低于5 m。

注浆压力。根据现场注浆试验，确定注浆压力为2～4 MPa。

扩散半径。现场试验，找出注浆压力与扩散半径关系，合理的注浆扩散半径为1.8 m。

单孔注浆量。依据经验数据，结合现场注浆消耗情况，注浆量50 kg/孔。

注浆孔径。用锚索钻孔打孔，钻头直径30 mm，注浆孔径确定为30 mm。

3.1.3 注浆孔布置

扩散半径是确定注浆孔间排距、孔角度的重要依据。以注浆孔为中心扩散半径为圆柱底面半径，以注浆深度为圆柱高，建立扩散圆柱体模型。结合巷道断面大小，经过分析计算，排列布置，见图1-图3。

3.1.4 注浆施工工序

注浆施工，采用CN-1型固特珑双浆液注浆材料和QB6C型气动高压双浆液化学注浆泵及其配套设备，用顶锚索钻机打顶板注浆孔，用帮锚索钻机打帮注浆孔。先打两帮注浆孔，再打顶板注浆孔，每打完一个孔，立即埋注浆管，防止“塌孔”给安装注浆管和封孔造成困难。

施工工序为：打注浆孔→安装注浆管→封注浆孔口→注浆系统与注浆管连接→注浆→清洗注浆系统→拆除注浆系统与注浆管。

3.2 注浆加固工作面间保护煤柱的方法

因为自燃火灾，发生在进、回风巷封闭墙以里，由停采线向采空区延伸20 m的范围，考虑安全系数，工作面间保护煤柱加固范围确定为以由停采线向采空区延伸30 m。必须在工作面回采至此范围前超前加固完毕，否则注浆加固无法施工。

在该范围内，进、回巷仅加固巷道靠煤柱侧一个帮，因为巷道顶板和另一帮，工作面推进过后将成为采空区，且煤柱帮裂隙发育，确定注浆深度不低于7 m，单孔注浆量预计90 kg/孔。

3.3 永久闭墙封闭与堵漏的方法

大部分永久闭墙，尤其是变形破坏的厚煤层巷道内的封闭墙，施工完毕，经过一段时间，闭墙附近巷道顶、帮会发生沉降破碎掉碴，致使闭墙的掏槽与巷道周边接触缝隙加大，造成一定程度的漏风，是采空区的发生自燃火灾的主要原因。

巷道虽然经过注浆加固，但支护强度不可能完全恢复，永久闭墙附近巷道是关键部位，因此部位的巷道还必须补强支护。闭墙的掏槽应加宽加深，周边预埋注浆管，以便注浆封堵周边接触缝隙，增强封闭效果。闭墙的顶部掏成拱形槽，再用锚杆锚索支护掏槽，形成拱形稳定结构，可提高掏槽后形成的大跨度的巷道支护强度。

3.3.1 补强支护

在施工闭墙前，对闭墙前后5 m的巷道进行补强支护，采用锚杆、锚索、W钢带联合支护。在原巷道锚网索支护的排间空隙补打锚杆、锚索、W钢带。各项支护参数同原支护，支护参数如下：

锚索型号1860,铰线结构1×7,规格17.8 mm× 7 500 mm，锚索间排距1 480 mm×800 mm，用K2340（在上）和Z2380（在下）的树脂锚固剂锚固；锚索托板为300 mm×300 mm×12 mm钢托板，上垫200 mm×90 mm×12 mm铁垫片，锚具型号为KM-18-1。

3.3.2 掏槽与掏槽支护

掏槽施工时坚持“少破坏已有巷道支护，减小施工对顶帮扰动”的原则，因此采用镐或尖钎凿煤，而不用炸药爆破，掏槽位置选在原巷道无支护的排间空隙处，即巷道两帮锚杆排距800 mm之间，巷道顶板两排W钢带排距800 mm之间，减去支护本身占距的位宽，掏槽宽度确定为600 mm，掏槽深度500 mm。掏槽宽度一般为500 mm，深度一般为400 mm，加宽加深量为100 mm。

掏槽处的巷道，巷道宽度比原巷道加宽了1 m，高度比原巷道增高了0.5 m。原巷道为全煤巷矩形断面，设计掘进宽度4.3 m，高度2.6 m，这样巷道总宽度为5.3 m，高度为3.1 m，形成的大跨度大断面的全煤巷道，巷道顶部掏成拱形槽，顶部W钢带弯成弧形，两帮也用W钢带护帮，再用锚杆、锚索锚固，形成拱形稳定结构，可在大提高掏槽后形成的大跨度的巷道支护强度。支护参数如下：

沿掏槽中心线布置一排W钢带，以巷道中心线为对称轴，对称布置三条W钢带，即顶板一条，两帮各一条，三条W钢带紧接，两帮多余部分弯回到巷道底板上。W钢带规格、锚杆、锚索、锚固剂等同原巷道支护，顶帮锚杆间距均为740 mm，顶板打两根锚索间距2 220 mm。如图4、图5。

3.3.3 构筑闭墙

在进、回风口以里5米位置以掏槽为中心，采用料石和黄土构筑闭墙，墙体总厚2 m，包括前、后各500 mm厚料石双墙和其间厚度为1 m的黄土夹层。如图4，图5。构筑构筑料石墙前先清理干净浮碴，挖墙基础深200 mm，筑墙时每块石头都要放平稳，不稳或不合规格要用铁锤敲打平整，用石片支垫稳固，灰缝为10～20 mm，灰缝砂浆必须饱满，墙面要平整，无裂缝、重缝和空缝，前后墙每构筑两层，两墙间填黄土，用木锤分层捣实，每层不超过20 mm。筑墙捣土距顶板1 m时，用白灰与黄土搅拌均匀分层填好捣实，每层不超过10 mm，墙体四周必须与硬帮硬底与顶接实，确保严实不漏风。墙体中要预埋观察孔及措施孔（观察孔为6分铁管,措施孔为4寸铁管）。铁管孔口应伸入密闭墙内1 m以上，外口距密闭墙至少0.5 m，外口要设阀门，不用时关闭。

3.3.4 预埋注浆管及注浆

由于闭墙构筑至巷道顶部位置时，由于施工空间狭窄，致使顶部的黄土不能夯实致密，因此在巷道顶部周边预埋注浆管，采用注浆封堵周边接触缝隙的方法，确保闭墙密实不漏风。注浆管由前料石与巷道顶板接触的周边缝隙斜插入掏槽内，管底直至掏槽的顶板位置。注浆管间距2 m，在巷道顶部中心布置一根注浆管，以此管为对称轴，左右各布置一根注浆管，共布置三根注浆管。注浆管布置见图4-图5。

注浆时按照先注中心管，再注左右管的对称作业方式。注浆材料和设备同上，注浆前，前、后料石墙及与巷道顶帮接触的周边的所有缝隙必须勾严实。注浆过程中，应控制注浆终压在2 MPa以内，注浆量以将要跑漏浆时为宜。

4 结束语

通过超前注浆加固工作面间保护煤柱和注浆加固变形破坏的巷道，松软破碎的煤岩体胶结为一体，提高了采空区周边煤岩整体强度、密实程度和搞风化能力，永久闭墙前后采用锚杆锚索W钢带补强加固，顶部拱形掏槽和注浆堵漏的方法，封堵了采空区漏风的通道，严密地封闭了采空区，封闭效果良好，有效地解决了厚煤层破碎区综采放顶工作面采空区封闭效果差，极易发生采空区煤炭自燃的难题，取得了良好技术效果。

Sealing Method for Gob in Fully-mechanized Mining Face in Fracture Zone of Thick Coal Seams

ZHOU Zhonglin
(Guzhuang Mine,Yangquan 045060,China)

Due to the poor sealing effect of gob in fully-mechanized mining face in fracture zone of thick coal seams,spontaneous combustion easily happens on the gob.The paper proposes pre-grouting reinforcement to protect coal pillars and deformed roadways and permanent closed walls.Besides,arched slotting on the roof and grouting are also used.The results show ideal sealing effect for the gob,which could effectively prevent the coal spontaneous combustion.

thick coal seams;fracture zone;fully-mechanized mining face;gob

TD353

A

1672-5050（2015）01-0051-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.017

（编辑：武晓平）

2014-12-04

周仲林（1969-），男，山西岚县人，本科，工程师，从事煤矿矿山救护工作。