乌兰木伦煤矿综采面过空巷泵送支柱支护技术研究

张国恩，赵建明，胡 江，刘虎生

(1.国家能源集团神东煤炭集团 乌兰木伦煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017205； 2.鄂尔多斯市煤炭局，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

乌兰木伦煤矿12煤五盘区共布置5个工作面，工作面推进长度相对较短，基本在1080m左右，工作面辅助回撤通道距12404主运巷113m，为提高盘区煤炭资源回收率，减少煤炭资源浪费，决定在工作面辅助回撤通道与12404主运巷之间布置综采工作面，将辅助回撤通道作为回风巷，12404主运巷作为进风巷。综采工作面回采将面临的困难是需要过9条空巷，其中，8条平行于工作面，1条垂直于工作面。国内外综采工作面过单独空巷或远距离多条空巷时通常采用工作面调斜推进[1，2]，首先使部分工作面先揭露空巷，然后工作面的余下部分再揭露空巷，避免工作面一次性全断面揭露空巷。而乌兰木伦煤矿工作面存在多条近距离平行于工作面的空巷，不具备调斜推进过空巷的条件，必须采取补强空巷支护强度，从而使工作面顺利通过空巷。本文研究采用综采面过空巷泵送支柱支护技术，并确定过空巷时泵送支柱的支护方式、支护强度、支柱直径等，分析支护材料性能，并制定支护工艺，最终确定支护方案。

1 煤柱回收方案

为提高煤炭回收率，减少资源浪费，计划回收12501、12502和12503辅助回撤通道煤柱，回采煤量25万t[3]。12502和12503辅助回撤通道煤柱计划布置综采面回收，与12404综采面形成刀把型工作面进行回采，即12404-1面。具体巷道布置方式如下：

将12404主运巷带式运输机延伸，作为12404-1综采面的主要运输巷；将12502回风巷113m扩帮改造为12404-1切眼，原巷道5m宽，扩至7.5m；由于12502和12503辅助回撤通道不在一条线上，相差1.7m，所以将12503辅助回撤通道采空区侧扩帮1.4m，共323m，用作综采面的回风巷，即12404-1回风巷，如图1所示。12404-1综采面工作面长度113m，推进长度542.5m，过空巷1432m，推进至原12404-2切眼处加面。

图1 12404-1综采面巷道布置图(m)

巷道揭露煤层厚度2.2～2.8m，平均2.6m。已有巷道未揭露断层等地质构造[4]。煤层直接顶岩性为中细砂岩，厚度1.6～4.5m，老顶岩性以中粗砂岩为主，厚度4.4～11.4m。上覆基岩厚度115～135m，松散层厚度10～15m，松散层不含水。工作面回采后有少量基岩孔隙裂隙水进入工作面，根据该区域已回采工作面预计本工作面正常涌水量10m3/h，最大涌水量30m3/h。

2 确定过空巷支护材料

2.1 确定支护强度

根据《矿山压力与岩层控制》中对顶板压力的估算方法[5]，按照8倍采高的上覆岩层重量进行估算。

P=9.8×h×m×r

(1)

式中，P为支护强度，MPa；h为支护强度系数，取8；m为工作面采高，取2.8～3.2；r为顶板岩层容重，取2.55kN/m3。

经计算得到最大顶板压力估算值为0.612MPa。

2.2 确定支护材料

根据常用矿山支护材料筛选出4种材料作为支护空巷备选材料[6]，分别为：道木、锚索、单体支柱、泵送支柱，每种支护材料都有适用范围及优缺点，现分别描述每一种支护材料的支护形式与其优缺点。

1)道木：将数根道木堆积打设成道木垛进行支护空巷。优点：过空巷时，由于超前支承压力作用，顶板发生下沉变形，道木属于可变性量大的支护材料，能够在顶板下沉时，给与顶板让压变形，能够释放部分支承压力，进而能够很好地保证空巷的稳定性，不会发生冒顶事故。缺点：过空巷时，道木垛无法回收，采煤机割煤时，木材进入原煤，同时采煤机切割道木时，道木垛会发生坍塌。从而空巷内支柱道木垛会影响煤质，更无法保证道木垛支撑的稳定性。

2)锚索：锚索支护空巷顶板。优点：锚索支护成本低，支护强度高，施工速度快。缺点：目前乌兰木伦煤矿使用最长锚索为8m，8m锚索正好为顶板垮落高度，因此选用8m锚索可能会在过空巷时发生冒顶事故，若选用更长的锚索进行支护，锚索转机扭矩不足，无法施工深孔。

3)单体液压支柱：单体支护空巷顶板。优点：单体支柱支护空巷速度快，单体能够泄液回缩，起到让压作用，支护强度较高。缺点：打设空巷单体支柱无动力源，需要安设一台临时泵站。过空巷时，单体回收困难，人工回收存在较大风险。单体内的乳化液对井下水质影响较大，不利于环保。

4)泵送支柱：泵送支柱支护空巷顶板。优点：泵送支柱支护强度高，具有一定变形量，采煤机较容易切割，不用回收支护材料。缺点：空巷支护费用高，泵送支柱材料进入原煤影响煤质。

根据以上四种支柱材料的优缺点以及考虑过空巷的安全型，综合考虑选择“泵送支柱+补强锚索”联合支护作为过空巷支护方式。

3 确定空巷支护方案

3.1 支护方式

空巷长度共计1432m。其中正常段979m，超高超宽段453m；平行于工作面空巷853m，垂直空巷579m。过空巷补强支护方式如下。

3.1.1 巷道段支护方式

巷道宽度5m，高度2.9～3.2m。平行巷道采用“Φ22.4mm×8000mm锚索+4.6mW钢带+泵送支柱”支护方式，垂直巷道采用“Φ22.4mm×8000mm锚索+4.6mW钢带”支护方式。每排布置3根锚索，排距1.5m。泵送支柱直径700mm，巷道中部区域间排距2.5m×2.5m。正常情况下两端头区域25m范围内打设一排支柱，间距3m；两端头25m范围内有联巷的区域，联巷靠端头侧打设3排支柱，参数与中部区域一样，联巷内部距离巷帮1m处在中间打设一根支柱。

3.1.2 机头段支护方式

1)机头硐室宽度6.1m，平均高度4.5m。巷道超高段采用“Φ22.4mm×8000mm锚索+11#工字钢+双层钢筋网做假顶”支护方式，每排布置3根吊挂锚索，排距0.5m，假顶用道木进行充填。巷道下部3.2m采用泵送支柱支护方式，泵送支柱支护直径Φ700mm，中部区域间排距3m×2.5m；两端头区域泵送支柱呈三花布置，两端头25m范围内有联巷的区域，联巷靠端头侧打设3排支柱，参数与中部区域一样，联巷内部距离巷帮1m处在中间打设一根支柱；两端头25m范围内有三角煤柱或交叉点区域面积较大的，按照中部区域支柱参数进行打设。

2)在原有锚索支护基础上，按照4根“1.5m锚索+3.6m和2.3m的W钢带”补强支护。

3.1.3 切眼支护方式

切眼采用“Φ22.4mm×8000mm锚索+5m长的W钢带+泵送支柱”支护方式。泵送支柱直径700mm，间排距2.5m×2.5m，两端头区域25m范围内间距3m，呈五花布置，每个调车硐室口部施工1根支柱。在原有锚索支护基础上平行于切眼方向补打两排锚索，锚索间排距2.2m。

1)12501绕道1平行于工作面段：在12501绕道1拐角处，断面变大应力集中位置设计5个泵送支柱[6]，其他区域不施工支柱。12501绕道1支护方式如图2所示。

图2 12501绕道1支护方式示意图

2)12502绕道1、2：设计2排泵送支柱，间排距为2.5m，选取Φ700mm支柱，正帮侧距支柱中心间距为1.25m，副帮侧距支柱中心间距为1.25m。两端头区域25m范围内一排支柱，间距3m。两端头25m范围内有联巷的按照设计参数施工。12502绕道1、2支护方式如图3所示。

图3 12502绕道1、2支护方式示意图

3)12502、12503、12504主运巷机头：设计2排泵送支柱，非扩帮段正帮侧距支柱中心间距为1.25m，副帮侧支柱间距为1.25m，扩帮段正帮侧距支柱中心间距为1.8m，副帮侧支柱间距为1.8m，选取Φ700mm支柱，支柱间排距为2.5m×3m。两端头25m范围内呈3花布置。端头区域有三角煤柱或交叉点面积大的按照设计参数施工。12502、 12503、12504主运巷支护方式如图4所示。

图4 12502、 12503、12504主运巷支护方式示意图

4)12404-2切眼段：切眼宽度7.2m，工作面过该空巷时，需要等待加面安装，工作面等待时间约为4～5d，期间可能出现矿压显现剧烈的情况。因此，该处布置3排支柱，确保安全生产，12404-2切眼支护方式如图5所示。正帮侧距支柱中心间距为1.1m，副帮侧支柱间距为1.1m。切眼调车硐室口部布置1根泵送支柱，间距2.5m，深入调车硐室口部1m。

图5 12404-2切眼支护方式示意图

3.2 泵送支柱直径确定

冒落高度范围内顶板自重m由式(2)计算[7]：

m=5×n×L×w×h×r×f=4781.25kN

(2)

式中，n为泵送支柱每排的数量，取2；L为泵送支柱支护间距，取5.0m；w为空巷巷道宽度，取5.0m；h为锚索锚固长度，取5.0m；r为岩石平均比重，取2.55t/m3；f为安全系数，一般1～2.0，取1.5。

当泵送支柱直径为700mm、高度2.8m时，其提供的工作支撑力Q由式(3)进行计算：

Q=πd2q·fs=5.2×106N=5200kN

(3)

式中，d为泵送支柱半径，取0.35m；q为支柱材料实验室强度，取15×106N/m2；fs为支柱结构性强度古氏系数，取0.9～1.0。

经计算Q=5200kN，大于顶板自重(m=4781.25kN)，因此，直径为700mm、高度2.8m的泵送支柱提供的工作支撑力能够支撑冒落高度范围内顶板自重。

4 空巷泵送支柱施工工艺

4.1 泵送支柱施工工艺顺序

泵送支柱施工工艺顺序[8]：①施工地点安设螺杆泵1台，水压不小于0.8MPa，流量不小于40m3/h，电压660V；②铺设注浆管路，管路直径DN25mm；③吊挂注浆充填袋，并校正、固定；④向充填袋内注浆。

4.2 空巷施工泵送支柱顺序

根据生产接续时间确定空巷施工泵送支柱顺序：①先施工12503主运巷8联巷处空巷，施工数量为10个支柱；②再施工12404-2切眼，施工数量为117个支柱；③再施工12501绕道1，施工数量为5个支柱；④再施工12502绕道1，施工数量为73个支柱；⑤再施工12502主运巷，施工数量为77个支柱；⑥再施工12503主运巷，施工数量为83个支柱；⑦再施工12504主运巷，施工数量为84个支柱；⑧最后施工12502绕道，施工数量为74个支柱。

4.3 泵送支柱施工材料

注浆材料采用A材料为生石灰，B材料采用高岭土，注浆材料由A、B两种组份按质量比1∶1的比例组合而成。该材料具备固化速度快、早期强度增长快、凝固时间可调、致密性好、渗透性强、不收缩、结实率高、密封性能强等特性。

材料全部由无机矿粉组成，完全阻燃，运输、仓储、使用过程没有火灾隐患。无机矿物材料不挥发，使用过程没有异味，能够避免有毒气体对人体的伤害。材料消耗量小，单位体积消耗量约240kg。

5 结 论

1)通过计算12404-1综采面顶板支护强度，选择合理的支护形式及支护材料，并在空巷采用泵送支柱进行了补强支护。在空巷内施工泵送支柱，通过支柱能够将空巷顶板岩层部分自重传递至底板，减轻空巷两帮支承压力，同时减小空巷内顶板的挤压应力，能够避免空巷底板发生底鼓。

2)综采工作面过空巷是煤矿生产现场经常面临的实际难题，应当结合现场实际地质条件，科学合理计算支护强度并选择支护方式。同时还要考虑初采期间直接顶能否及时垮落，避免大面积悬顶。