厚煤层回采工作面过垂直空巷围岩控制技术

杨亚超 张利军 郝万鹏

（晋能控股煤业集团赵庄二号井，山西 长治 047100）

顶板安全[1-2]是保证井工矿井安全开采的重要因素之一，由于矿井生产需要、设计调整及遗煤复采等原因，部分工作面在开采过程中存在过空巷[3-4]的现象，由于空巷位于工作面内部，受超前支承压力作用，其围岩往往较为破碎，极难维护，会造成工作面煤壁片帮和冒顶[5-6]，制约工作面安全高效生产。该论文结合赵庄二号井生产条件，分析了厚煤层回采工作面过垂直空巷围岩控制技术，可为同类矿井开采提供参考。

1 工程概况

赵庄二号井主采3 号煤层，2305 工作面位于顶底车场附近，北侧为盘区大巷，东、西、南侧均为实体煤。2305 工作面开采煤层平均厚4.05 m，平均埋深465 m。煤层直接顶为粉砂岩，厚1.89 m；基本顶为细粒砂岩，厚3.40 m；直接底为炭质泥岩，厚0.8 m；基本底为砂质泥岩，厚4.10 m。2305 工作面采用综放开采，采高3.0 m，放煤高度1.05 m。工作面采用一进一回布置，工作面切眼沿煤层顶板掘进，宽8.4 m，高3 m，原设计切眼（一切眼）长110 m，可采长度426 m，后根据工作面设计调整，在23053 巷北面50 m 处布置一条23051 巷，将2305 工作面加宽，在距原设计切眼（一切眼）114 m 处布置二切眼，工作面推进114 m 后与第二切眼相连，采面宽度增加为160 m。工作面布置如图1。

图1 2305 工作面布置示意图

2 围岩变形原因及控制对策

23053巷沿煤层顶板掘进，巷宽4.5 m，巷高3 m。巷道采用锚杆索支护，顶板每排5 根锚杆，间距1000 mm，排距1200 mm，锚索采用“2-0-2”矩形布置，间距1900 mm，排距2400 mm；巷帮每帮每排4 根锚杆，间距800 mm，排距1200 mm。23053巷道掘进后，周围浅部围岩在掘进动压影响下出现破坏。回采工作面通过23053 巷时，由于采动应力作用，加大围岩的破坏程度，使围岩破坏深度增加，围岩整体性降低，承载能力急速下降。加之23053巷内顶板支护强度较低，导致回采工作面过空巷时，空巷顶板急速下沉，两帮向内鼓出，极易出现冒顶等安全事故。

为了维护回采工作面顶板安全，防止煤壁片帮和冒顶事故的发生，不仅需要加强空巷顶板支护强度，而且需要改善围岩结构，使破碎煤体能够承载，从而维护顶板稳定。因此，需采取“顶板锚索补强+空巷超前支护+围岩改性注浆”的综合控制方法，控制工作面煤壁及顶板稳定，保证工作面安全开采。

3 围岩控制技术

3.1 顶板补强

采用锚索进行空巷顶板补强，锚索Φ22 mm，长度6300 mm，采用1×19 股高强度低松弛预应力钢绞线。锚索布置形式为“3-1-3”，在原两排锚索之间补打3 根补强锚索，间距1500 mm，排距为2400 mm；在原两根锚索正中间补打1 根补强锚索，排距为2000 mm。补强锚索施工后，新旧锚索呈现“3-3-3”布置形式。补强锚索均采用三根树脂锚固剂的加长锚固，预紧力不低于250 kN。顶板补强支护图如图2。

图2 顶板补强支护图

3.2 空巷超前区支护

工作面回采后，采动应力重新分布形成超前支承压力，可知赵庄二号井以往工作面矿压观测数据分析，工作面超前支承压力区影响范围为25 m。以往工作面两侧顺槽超前支护范围为30 m，为了维护空巷顶板安全，在23053 巷进行超前临时支护，支护距离为工作面前方50 m 范围，支护形式为一梁五柱，单体柱间距为1000 mm，两侧单体柱距巷帮250 mm，上部架设π 型梁，梁间距为1000 mm。工作面回采割煤前，回撤一排空巷支柱，采用支架护帮板支护空顶。

3.3 围岩改性加固

（1）注浆加固钻孔布置参数

由于空巷围岩破碎，围岩完整性差，承载能力低，回采工作面采动应力作用引起煤壁片帮，必须改善破碎围岩。在空巷两侧巷帮布置注浆加固钻孔，采用两次注浆加固（如图3、图4），钻孔布置参数如下：

图3 空巷注浆钻孔及超前支护布置剖面示意图

图4 空巷巷帮注浆钻孔布置示意图

① 一次注浆加固。采用注浆锚索进行加固，在起到改性注浆加固的同时可以提高巷帮支护强度。注浆锚索长6300 mm，每排布置两根，上排距顶板1000 mm，仰角5°打设，下排距顶板2000 mm，垂直巷帮打设。注浆锚索排距为2400 mm，钻孔直径为30 mm。

② 二次注浆加固。采用注浆PE 管进行注浆，注浆钻孔与注浆锚索钻孔交错布置，同样布置两排，上排距巷道顶板600 mm，仰角5°打设，下排距巷道顶板1600 mm，垂直巷帮打设。二次注浆钻孔排距2400 mm，钻孔孔径42 mm，孔深10 m。

（2）注浆加固工艺

为了保证空巷围岩支护强度，一次注浆位于空巷超前支护以外，即打即注。注浆采用水泥材料配合水玻璃进行注浆，注浆压力一般不小于4 MPa，漏浆严重不可封堵时可停止注浆。二次注浆钻孔在一次注浆结束后进行施工，成孔后在孔内插入注浆PE 管，待距回采工作面15～30 m 时进行二次注浆钻孔注浆施工。构造影响区和一次注浆漏浆严重、压力小于4 MPa 的区域，二次注浆采用化学注浆材料，注浆压力不小于3 MPa；非构造影响区和一次注浆压力达到4 MPa 的区域，二次注浆可采用水泥材料配合水玻璃注浆，注浆压力不小于4 MPa。

4 效果分析

2305 工作面二阶段开采过垂直空巷长度共计312 m，回采用时三个月。回采过程中对空巷两侧煤壁片帮情况、空巷内两帮及顶板的变形等进行观测。通过观测可知，注浆加固能够提高围岩的完整性及承载能力，工作面煤壁直立，无明显片帮现象；锚索补强和空巷内超前支护对空巷顶板控制效果较好，配合注浆改性加固，空巷超前支护区围岩变形较小，围岩稳定可控，实现了工作面安全过空巷。

5 结论

回采工作面内空巷对工作面顶板安全影响重大，需妥善处理，否则易造成冒顶事故。通过赵庄二号井2305 工作面实践可知，垂直空巷一次揭露面积相对较小，采用“顶板锚索补强+空巷超前支护+围岩改性注浆”的综合防治方案，可以有效提高围岩的整体稳定性，保证工作面顶板安全。