复采工作面过煤柱、空巷支护技术研究

李玉龙，和卢斌

(1. 晋城煤业集团 晋圣三沟鑫都煤业，山西 晋城 048000； 2. 晋城煤业集团 生产技术处，山西 晋城 048000)

1 概 况

1.1 矿井概况

山西晋煤集团泽州天安圣华煤业有限公司位于泽州县下村镇南、西直线距离3.0 km处，南、北、西均为晋煤集团成庄煤矿，南东为岳南煤矿，井田北东方向约20 km有太焦铁路线的北板桥车站。圣华煤业3#煤层位于山西组下部，煤层厚6.52～6.85 m，平均厚6.65 m，含1～2层夹矸，夹矸总厚一般小于0.5 m，属于厚煤层。煤层结构简单，顶板为中细粒砂岩、粉砂岩，底板为粉砂质泥岩，全区稳定可采。圣华煤业3#煤旧采区域煤层赋存特点：

1) 主要复采区域普遍采用以掘代采或巷柱式采煤法，沿底板掘进，掘进高度一般为2.5 m，复采区内留有大量的顶煤及煤柱。

2) 经现场调研及煤岩力学实验可知，3#煤硬度较小，旧采区内的空区、空巷经长时间放置，顶煤及煤帮出现小范围的冒顶及片帮，复采区内煤层赋存结构为空区、空巷、冒落区及煤柱并存。

1.2 复采区开采技术条件

对旧采区采煤方法及煤柱残存现状分析可知，3#煤经过旧式开采后，形成大量煤柱和空巷共存形态。在复采区掘进巷道时，会不断通过这些煤柱、空巷。

1) 煤柱。

残留煤柱形态图见图1. 由图1可知，旧采后所留煤柱宽度为12～14 m，两边各有3 m×2.5 m的巷道，经过多年放置，煤柱边缘空巷裸露处存在风化现象，强度有所降低。

图1 残留煤柱形态图

2) 空巷。

残留空巷形态图见图2. 由图2可知，旧采后所留空巷宽度为2.5～4.0 m，高为2.5 m，支护方式采用简单的木支护，或完全不支护，经过多年放置，木柱已腐朽，巷道基本处于无支护状态，顶板有所下沉，两帮部分片落。

图2 残留空巷形态图

2 复采巷道围岩加固及支护技术方案

2.1 工作面与空巷相对位置关系

旧采区的空巷是指开掘后未经刷扩且顶板保持完整的原小窑废弃巷道。经对圣华煤业原旧采技术资料分析和现场调研可知，3#煤层为厚煤层，旧采残留巷道沿煤层底板掘进，巷高一般为2.2～2.5 m，巷道宽2.5～3 m，见图3. 而根据遗留空巷与工作面的空间位置关系，煤层底板空巷可以分为与工作面平行空巷、与工作面斜交空巷、与工作面垂直空巷。

图3 圣华煤业旧采区空巷示意图

2.2 复采采场应力及位移分布特征

以晋煤集团泽州天安圣华煤业3#复采煤层首采工作面3101为地质原型，进行了残煤复采综采工作面平面相似模拟实验，实验采用平面应变柔性加载试验装置结合多种测试手段，对残煤复采过程中的矿压显现规律及围岩变形规律进行研究。

2.2.1模拟实验系统

实验系统框架采用太原理工大学研制的平面应变柔性加载试验装置，装置尺寸为长2.95 m×高3.06 m×厚0.2 m. 主要包括了顶部加载系统、回采系统及测试系统。

加载系统采用气囊柔性加载系统，以静载荷、均匀面力的形式进行加载。按照开采深度计算得出加载气压值为0.071 90 MPa. 考虑模型量测槽钢的弹性夹持力所产生的摩擦阻力，取1.2的摩擦系数，则气囊的实际充气压力是0.086 28 MPa. 模型侧向没有配备单独的侧向加载系统，通过槽钢和有机玻璃板产生侧向约束，使模型处于三向受压状态。

测试系统采用TST3826-2型静态应变测试分析仪分析复采工作面前方支承压力的分布情况及随工作面推进，过煤柱、空区时，工作面煤柱、顶煤及顶板的垂直应力和水平应力的变化特征；可通过安设在液压支架供液回路上的压力传感器，研究支架在煤柱、空区下的受力特征。

2.2.2相似模拟实验结论

当工作面推进到空巷附近回采空巷巷旁煤柱时，由于工作面前方旧采空巷巷宽较窄，受煤柱上方应力集中引起的支撑压力的影响，煤柱压缩变形，影响回采工作面通过空巷。工作面前方煤壁变形破坏规律基本形同实体煤。

当工作面前方将通过采空区时，由于复采前采空区跨度较大，其上方顶煤及顶板形成类似于固支梁结构，上覆岩层为拱形承载结构。随着工作面的临近，工作面前方采空区煤壁、旧采空区及靠近复采工作面的遗留煤柱、复采工作面后方垮落区，将逐渐形成“工作面前方实体煤区-复采工作面后方垮落区-上覆关键层”大结构下的“变形煤柱-支架”小结构。支架“控顶距”增大，支架载荷略大于实体煤情况，见图4.

图4 回采煤柱已破坏图

3 注浆试验方案

3.1 采前非完全充填

根据研究结果，采用采前非完全注浆充填方式，充填复采工作面内的空巷、空区及冒落区，充填后形成一定厚度的截割层和充填承载层，充填承载层以上空间不充填，见图5. 截割层为复采工作面采高2 m，充填承载层确定为4.5 m.

3.2 注浆方式

由于超高水材料凝结时间较短、冒落煤岩体的裂隙大小不均匀，浆液很难流动充分，不可能实现一次性充填好整个承载层和截割层。而且截割层强度要求低，只要保证煤壁基本完整即可，承载层相对截割层强度要求高。因此，采用分层递进多轮注浆方式，见图6，将充填空间分为上下两层，第1层为充填承载层，注浆孔终孔高度定为7 m左右，浆液水灰比为6∶1；第2层为截割层，注浆孔终孔高度定为2 m左右，浆液水灰比为7∶1. 同时，因1301复采工作面存在多条空巷，从1202巷注浆需要由近及远依次递进充填各条空巷，即先通过短注浆孔充填最近的空巷，再通过长注浆孔充填稍远的空巷，通过分层递进多轮注浆方式，实现煤壁稳定和人工假顶完整，确保工作面顺利通过旧采空巷冒落区。

图6 分层注浆方式图

3.3 注浆效果

注浆效果检测包括扩散范围检测、浆液渗透情况检测和注浆前后被注体强度检测等。采用的手段包括现场揭露观察、窥视孔观察和钻取注浆结石体进行强度试验等。煤壁注浆扩散效果见图7.

3.4 观测仪器及监测结果分析

测定离层的系统包括深基(8 m)、浅基(3 m)两个锚爪，传感器，分站。其工作原理是：将深基、浅基两个锚爪固定于顶板钻孔的两个位置。顶板发生离层会引起两个锚爪相对位置的变化，通过锚爪相对的变化来确定离层量，顶板离层仪现场布置图见图8.

激光测距仪包括激光发射器、分站。工作原理是：顺槽两帮的变化会引起激光束的变化，激光束的变化会通过发射器显示在分站上。1号离层测点和2号离层测点布置在回风顺槽中，分别距切眼30 m和79 m；3号离层测点布置在运输顺槽中，距切眼34 m，从而测量出两帮移近量。观测结果见图9.

图7 煤壁注浆扩散效果图

图8 离层仪布置图

监测结果显示：3#煤空巷、煤柱面在工作面采动影响下顶板浅基点下沉变形，变形量不足8 mm，位于巷道顶板8 m处顶板深基点未发生顶板离层；根据两帮移近量观测，巷道变形量很小，说明注浆加固技术能够使巷道满足要求。

1) 对圣华煤业3#煤复采煤层首采工作面进行了平面相似模拟实验，当工作面推进到空巷附近回采空巷巷旁煤柱时，由于工作面前方旧采空巷巷宽较窄，煤柱上方应力集中引起支撑压力明显，影响回采工作面通过空巷，进一步采用分层递进多轮注浆方式，实现煤壁稳定和空巷区域完整，确保了工作面顺利通过旧采空巷、煤柱区域。

图9 离层量变化曲线图

4 结 论

2) 工业性试验期间，工作面累计推进110 m，实现生产原煤5.6万t，工作面资源回收率达到81.1%，实现利润308万元，实现了经济利益较大化。