补连塔煤矿综采工作面过空巷泵送充填式支柱应用研究

王刚伟

(国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司 补连塔煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

自我国资源整合以来，许多不具备安全生产能力的地方小煤窑陆续被关闭，但由于小煤矿乱开乱采，留有较多废弃、无法使用的空巷，煤炭开采过程中工作面通过这些年久未修的废弃巷道称为过空巷[1-4]。受开采活动影响，空巷顶板遭到破坏，围岩变形等问题严重影响着工作面安全高效生产[5，6]。

以补连塔煤矿22310 综采工作面开采技术条件为背景，结合煤层围岩条件及来压情况，进而确定空巷治理及支护方式，为工作面安全高效过空巷提供技术保障。

1 工程背景

补连塔煤矿22310综采工作面位于补连塔煤矿井田的22煤三盘区，地层倾向南西，煤层倾角为1°～3°，标高1032.67～1074.15m。上覆基岩厚度为30～226m，松散层厚度为0～32m。工作面煤层平均厚度6.92m。22310综采工作面设计采高6.7m，采用倾斜长壁后退式开采一次采全高采煤法，采用全部垮落法处理采空区。

根据已回采工作面实际情况，工作面老顶初次垮落步距一般在50m以内，周期来压步距平均为12.1～15.6m。22310综采工作面符合埋藏浅、基岩厚度大等近浅埋深煤层的特征。根据以往回采经验，存在“大小周期来压”(初次来压步距呈现“中间小、两头大”的特征，周期来压步距整体呈现“中间大，两头小”的特征)、顶板台阶下沉、矿压显现明显、来压持续时间长、工作面片帮炸帮严重等特征。周期来压期间，来压强度和范围大，尤其是大周期来压期间，相应巷道副帮及受二次采动影响巷道正帮超前20m范围内片帮严重，底鼓严重，顶板维护困难。

22310综采工作面回采区域存在原上湾煤矿北进风、回风井及水泵房变电所等巷道，因矿井资源重新划拨，随后封闭。经过矿方及公司详细方案论证，采用直接硬过的方法且不影响下层31煤安全回采。但工作面过原上湾矿风井、水泵房变电所及空巷期间存在冒顶、透水、压死支架等安全隐患。

22310综采工作面推采至空巷期间上覆存在3段集中煤柱，第一类型为长148.8m宽20m的平行于综采面的1段倾向煤柱，综采面推进至3645～3665m，对应工作面支架位置为22#—97#支架；第二类型为长150m宽15m的垂直于综采面的2段走向煤柱，综采面推进至3670～3820m，对应综采面支架位置为22#—34#、89#—97#支架。集中煤柱覆盖工作面位置松散层厚度5～10m，基岩厚度145～155m，与12煤采空区层间距约为33～44m，煤厚6.8～7.4m，含两层夹矸，距煤层底板约0.16～0.40m，夹矸厚度约0.1～0.4m。上覆集中煤柱与工作面空巷位置如图1所示。

图1 上覆集中煤柱平面图

2 确定与工作面同层空巷治理及支护方案

根据巷道布置情况现将与22310综采工作面处于同一层面空巷划分为6个区域，其中，较长的三个区域为1#、5#和6#，长度分别为100m、150m和170m，其余为几十米长的不等短巷，总长度约为670m。巷道布置整体情况如图2所示。

图2 巷道布置平面图

巷道原始支护为在锚、网支护的基础上，喷浆支护为主、局部以砌碹支护为辅。对于综采工作面，国内传统过空巷方法有：①用密集支柱或木垛加强对空巷顶板的支护；②用锚杆、锚索加固空巷顶板和两帮。但由于密集支柱或木垛承载能力低，难以抵抗工作面超前支承压力的作用，空巷在超前支承压力的作用下产生冒顶和两帮大范围的片帮，而且，当工作面接近空巷时，尤其是与工作面平行的空巷，顶板有可能在空巷上方发生断裂，使工作面顶板下沉量大幅度增加，木垛将被压缩至最大变形量位置，甚至会出现被压劈裂的现象，空巷顶板会因木垛过度压缩而引起离层乃至冒落，造成重大经济损失，威胁安全生产。这2种方式只是加强了空巷的顶板支护，并不能确保工作面安全快速推过空巷，顶板可能发生整体下沉，因此，过空巷时仅仅加强空巷支护是远远不够的。根据补连塔矿现有空巷特点，对比木垛和泵送充填式支护的特性，确定空巷治理及支护方式为泵送充填式支柱支护[7，8]。

3 泵送充填式支柱

泵送充填式支柱是将多种控制不同性能的无机材料按一定配比混合后再与水按比例搅拌，通过注浆泵输送到一定距离的充填袋里，凝固后形成柱式支护。

泵送支柱具有支护面积大、整体性强、残余强度高等优点。另外，由于灰浆泵的出口压力至少1.2MPa和充填袋顶部是柔性的特点，保证了支柱接顶效果并有一定的初撑力。直径、高度分别为0.76m和1.9m高的泵式支柱(带有和不带有加强筋)在实验室全尺寸的压力试验结果如图3所示，显示了典型的泵式支柱的压力位移变化特点和趋势。

图3 两种泵送支柱全尺寸试验结果

以水灰比1.2∶1为例，其初凝时间约4.5min，2h后强度达到4.8MPa，4h、8h、24h、7d、14d、28d可分别达到5.4MPa、6.3MPa、7.5MPa、9MPa、9.8MPa和10.2MPa。 而当水灰比降低到1∶1，3d可达14MPa左右。

已有文献[9]研究表明：单体支柱支护工作面，一个循环内(昼夜放顶一硐)，放顶期间距回采巷道5m木垛加强支护处，顶板下沉量与木垛荷载量，见表1，特征曲线如图4所示。

表1 一个循环内木垛支护工作参数

图4 木垛支柱工作特性曲线

由图4可知，木垛支护时，顶板荷载-沉降曲线近似成直线。以第8个循环为例，木垛荷载从0.4t增加到2t时，顶板下沉量约为95mm；木垛荷载从2t增加到4t时，顶板下沉量约为110mm。木垛可以看作是缓增阻型支架，只有当顶板下沉量不断增大时，而且在不断增加的情况下，木垛才缓慢增加其工作阻力。

泵送支柱与锚杆支护、木垛支护相比，支撑强度高、让压变形能力强、残余支撑强度高、具有可切割性，在实际生产过程中不会对设备造成额外的影响。基于泵送支柱以上这些特点，该技术可应用于回撤通道、软岩巷道及矿压较大的空巷支护，既能保证巷道围岩稳定性，又可以保证煤机安全顺利地通过空巷。

4 工程实践

4.1 泵送支柱布置方式

由于巷道顶板为拱形，为保证接顶效果，基本布置原则是单排布置，不规则三向交叉点及T-型交叉点的泵送支柱布置，如图5所示。整体布置如图6所示。

图5 不规则区域泵送支柱布置示意图

图6 泵送支柱布置图

4.2 泵送支柱工艺

泵送支柱施工包括两个方面：挂袋支模和制浆泵送。

挂袋支模：首先按照事先确定好的位置，施工带钩的膨胀螺钉进行定点，然后将模袋吊耳与膨胀螺钉的挂钩相连，垂直下拉模袋与巷道底板相接，最后用3～5根木条和3道铁丝将模袋固定，泵送支柱挂袋支模方案如图7所示。

图7 泵送支柱挂袋支模示意图

制浆泵送：按照设计水灰比先加水后加料，根据螺杆泵每分钟下料量，调节水管阀门，控制水灰比，开始注浆，泵送支柱制浆泵送方案如图8所示。

图8 泵送支柱制浆泵送示意图

4.3 现场应用结果

2018月10日15日夜班—2018月10月31日早班，22310综采面过空巷共推进了155m，合计203刀，利用Excel软件将矿压数据制成曲面图，共观测到1次小周期来压，8次大周期来压。10月18日早班，工作面过管子道时，工作面出现矿压显现，步距为13.8m，压力持续6刀，支架活柱下沉量平均200～300mm，压力主要集中在100#—140#支架，工作阻力42～46MPa，开启安全阀占全部安全阀的平均25%，顶板局部漏矸 。10月15日早班(进入原北回风井前4m)、10月16日早班(出煤柱0～5m范围内)、10月19日早班(出北进风井空巷后6m)、10月20日中班(进入主排水泵房约中间位置)、10月22日夜班(进入水仓时)、10月24日夜班(进入泵房通道后6m为与工作面平行空巷)、10月26日夜班(进入变电所通道前3m)、10月28日早班(进入车场巷道前1m)出现8次大压，来压期间整个综采面安全阀大部分开启，占全部安全阀的平均71%，顶板漏矸严重，煤壁片帮、炸帮严重，来压强度和范围大，支架工作阻力为47～51MPa，支架活柱下沉量平均600～1000mm，来压持续时间平均4.3～6.9m，来压步距11.2～27.4m，平均19.3m。过空巷期间矿压监测如图9所示。

图9 过空巷期间矿压监测曲面图

22310综采工作面从10月24日起，工作面开始逐步贯通使用泵送充填式支柱支护的平行工作面空巷。10月28日，工作面来压，10月29日，工作面没有采取拉架调斜、降低采高等其他措施，割煤速度也没有降低，工作面顺利通过空巷，空巷两帮几乎没有任何变形，两帮移近量不到100mm。泵送支柱支护空巷区顶板状况良好，顶板最大下沉量200mm，工作面过空巷来压期间，泵送支柱起到非常好的效果。支架工作阻力监测的矿压数据统计显示支架工作阻力在割煤机接近、逐步揭露和通过空巷过程中没有显现较大的异常值，说明支柱能稳定支撑顶板，经受住顶板不同阶段的来压。

过空巷期间与正常回采期间矿压对比分析：

1)过空巷期间小压与正常来压对比，次数明显减少，正常回采期间小压每天1次(每天推进约13m)，但过空巷期间(155m)仅出现1次。

2)过空巷期间大压与正常来压对比，次数明显增多，且来压强度和范围较正常回采显现更加剧烈。正常回采期间大压步距约为40～62m，过空巷期间大压步距约为11.2～27.4m，步距减少约50%～80%。

3)正常回采期间小压与大压间隔出现较规律，约3～5次小压后出现1次大压，但过空巷期间基本以大压为主。

4)过空巷期间与正常回采期间相同点为：机头、机尾压力相对较小。综采面两端与中部支架来压步距不同，周期来压步距整体呈现“中间小，两头大”的特征，工作阻力整体呈现“中间大，两头小”的特征。

5 结 论

1)大采高工作面过平行于工作面空巷或与工作面同层空巷是煤矿开采中的一大难题。泵送充填式支柱的出现有效的解决了此类问题。泵送支柱施工工艺简单、支护断面面积大、整体性强、支护强度大、残余强度高、并且容易被采煤机切割等优点。

2)泵送充填支柱与原有木垛支护、锚杆锚索支护相比，可以根据22310综采工作面具体的地质及开采条件，灵活选择支柱材料、施工水灰比、布置方式、模袋形状、结构等，使支柱受力始终处于“给定变形”条件下，控制顶板下沉。在工作面过巷期间，空巷顶板状态良好，两帮及顶底板移近量较小均在可控范围内。泵送充填支柱在补连塔煤矿22310综采工作面的成功应用为此技术的推广提供了可靠依据。