煤体再造技术在无煤柱工作面过空巷中的应用实践

杨 斌

（晋能控股煤业集团，山西 大同 037003）

无煤柱工作面过平行于切眼的空巷时，存在通风系统紊乱、顶板大面积暴露甚至漏顶等多方面的隐患。传统的过空巷措施是采取以锚网索为主的主动支护和以木垛、单体液压支柱为主的被动支护进行联合维护，这样的治理措施成本高、施工时间长，回采期间顶板管理困难多、安全隐患大。

1 概况

三盘区山2#层8201 工作面为切顶卸压无煤柱工作面，与相邻8206 工作面共用5201 巷（沿空留巷）。可采走向长度1281.2 m，倾向长度180 m，煤厚2.9 m。基本顶为19.2～25.1 m 厚的中粗粒砂岩，直接顶为12.8～19.8 m 厚的粉细砂岩，直接底为0.78～1.16 m 厚的粉细砂岩。为避免煌斑岩对回采期间的影响，现场在采位1017 m 位置开掘空巷，巷宽7.7 m，高3.1 m，长度180 m。空巷支护形式为锚网索及单体液压支柱。工作面平面位置见图1。

图1 工作面平面位置图

2 过空巷前准备措施

提出了利用粉煤灰和末煤进行配比再造煤体对空巷进行充填的技术，并在同忻矿8201 无煤柱工作面进行现场实践，取得良好的效果。

2.1 配比方案

2.1.1 再造煤体模块材料配比

为获得不同配比水泥末煤试样的单轴抗压强度，给空巷煤体再造材料提供基础数据，开展了水泥末煤的配比试验，并利用岩石三轴试验机进行单轴抗压强度试验。采用普通硅酸盐425#水泥、末煤、速凝剂和水进行配比试验，末煤通过0.8 mm 筛孔，试验模块按照《混凝土试模》（JG 237-2008）的规定制作为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的立方体，24 h 后脱模，在室内环境下养护5 d。模块的具体配比方案如下：

方案一： 水泥∶末煤∶速凝剂∶水=1 ∶4.2 ∶0.04 ∶0.5；

方案二： 水泥∶末煤∶速凝剂∶水=1 ∶4.0 ∶0.04 ∶0.5；

方案三： 水泥∶末煤∶速凝剂∶水=1 ∶3.8 ∶0.04 ∶0.6；

方案四： 水泥∶末煤∶速凝剂∶水=1 ∶3.6 ∶0.04 ∶0.6；

方案五： 水泥∶末煤∶速凝剂∶水=1 ∶3.4 ∶0.04 ∶0.6；

方案六： 水泥∶末煤∶速凝剂∶水=1 ∶3.2 ∶0.04 ∶0.6；

方案七： 水泥∶末煤∶速凝剂∶水=1 ∶4.0 ∶0.035 ∶0.6；

方案八： 水泥∶末煤∶速凝剂∶水=1 ∶4.0 ∶0.03 ∶0.6；

方案九： 水泥∶末煤∶速凝剂∶水=1 ∶4.0 ∶0.04 ∶0.6。

2.1.2 再造煤体试样情况说明

制备再造煤体试样45 块，成功脱模32 块。养护后的试样呈灰黑色，颗粒明显，粒径规格大多在2～5 mm 左右，且大多棱角缺失，脱模方向界面平整度较差。

2.1.3 试样试验方案

试验使用TAW-1000 kN 微机控制电液伺服岩石三轴试验机、电子天平（称重30 kg，感重1 g）、工程塑料试模（70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm）等。

试验按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T 70-2009）中立方体抗压强度试验的规定进行，采用位移控制模式，加载速率控制在0.02 mm/s。试样抗压强度按下式计算：

σc=F/A式中：σc为混凝土试件抗压强度，MPa；F为试件破坏荷载，N；A为试件承压面积，mm2。

2.1.4 试样试验结果

方案一～方案九试样平均抗压强度分别为1.958 MPa、3.620 MPa、4.742 MPa、3.995 MPa、4.510 MPa、5.717 MPa、3.672 MPa、3.530 MPa、3.189 MPa。考虑现场煤体硬度3.0＜f＜4.0，选用方案七配比方案为再造煤体材料配比。

2.2 空巷煤体再造施工充填情况

再造煤体材料采用配比为水泥∶末煤∶速凝剂∶水=1 ∶4 ∶0.035 ∶0.6（重量比）进行混合配比的混合料。在采煤帮侧留设的通道宽度1.2 m，通道内支设中心距1.5 m 接顶木柱，从2201 巷与1.2 m 通道交接处中心开始向5201 巷方向施工，直至煤体再造区域边界结束。

在煤体再造期间培育17 块试样送至大同大学，养护后的试样呈灰黑色，部分模块取样未压实，且大多棱角缺失，脱模方向界面平整度较差。取样地点详见表1。

表1 试样取样地点

单轴抗压强度汇总详见表2。

表2 试样抗压强度汇总

2.3 二切巷顶板施工卸压孔预裂

为保证工作面通过二切巷再造煤体区域后二切巷顶板及时垮落，防止气体浓度超标，在二切巷内施工卸压孔预裂：

（1）二切巷内1.5 m 通道与2201 巷相交处巷口起，距离煤壁侧150 mm，沿二切巷向5201巷方向施工顶板预裂孔，施工范围15 m，间距为500 mm，孔深9.5 m，垂直顶板施工。

（2）二切巷内1.2 m 通道与5201 巷相交处巷口起，距离煤壁侧150 mm，沿二切巷向2201 巷方向施工一组顶板预裂孔，施工范围20 m，间距为250 mm，孔深9.5 m，垂直顶板施工。

（3）在5201 巷和2201 巷的二切巷巷口处，施工顶板卸压孔，距巷帮100 mm，孔径50 mm，孔距250 mm，倾向采空区75°。5201 巷的二切巷巷口处孔深8.1 m，2201 巷的二切巷巷口处孔深为9.5 m。致裂卸压孔分布见图2。

图2 致裂卸压孔分布示意图（mm）

3 过空巷期间的措施

3.1 过空巷期间顶板管理

（1）超前支护管理当工作面尾部或头部距空巷50 m 时，需要加强两巷超前支护管理工作，如单体有卸压、支设不牢靠、防倒防坠损坏等现象要及时进行更换。如果顶板受采动影响压力显现强烈时应加强超前支护，单体柱距缩小至0.8 m，间距不变，同时延长超前支护单体支设距离。

（2）工作面端头管理

过空巷期间2201 巷端头每次按照一个推移步距进行退锚，不得提前回撤，确保端头悬板随采随落不得大于10 m2。如果顶板破碎可增大退锚步距。5201 巷为沿空留巷，要确保支架后方距采空区完全垮落处距离不得大于10 m。

（3）矿压管理

① 工作面过空巷期间，要加强矿压管理工作，随时观测支架压力及尾巷压力监测数据的变化，并进行分析和预判。

② 工作面过空巷期间若受动压、填充区域再造煤体支护强度、硬度不够等影响，造成巷道顶板破碎出现大面积垮落或者煤壁大量片帮等漏顶迹象时，应采取及时移架、带压移架的方式迅速将支架前移，及时打开护壁板。

3.2 过空巷期间工艺管理

为保证工作面安全的通过空巷，减少通过期间揭露空巷的面积，将工作面调斜后逐段通过空巷。

3.3 通过煤体再造的现场情况

工作面完全通过空巷用时3 d。割煤期间，机组截割再造煤体的过程中与截割煤体情况相似，现场再造充填体截割后煤壁平直，工作面顶板及空巷顶板完好，整体无明显矿压显现。通过空巷期间支架平均工作阻力见图3。

图3 过空巷期间支架平均工作阻力曲线图

4 结论

（1）充填空巷后，强化空巷周围煤体强度及支承能力，保证了空巷顶板稳定。同时充填体使围岩形成整体结构，有效支护面积增大，减少了巷道的变形量。充填体具有一定的塑性，可一定程度减弱矿压作用。

（2）充填体硬度与煤相近，截割充填体时与工作面截割煤体时相似，能保持工作面正常的回采速度通过空巷，使工作面能够快速通过原空巷区域，提高回采安全性。

（3）充填施工工艺工序较简单，充填材料易获得，可操作性较强，较容易施工。施工工期短，一天可充填5～10 m，可在较短时间内完成空巷的充填。

（4）由于空巷顶板无补强支护，回采充填体后的空巷顶板比普通补强支护顶板更易垮落，垮落周期短不易造成瓦斯积聚。

（5）由于再造煤体材料的主要成分为末煤，材料容易获得且无毒无害，同时不增加工作面回采期间原煤的灰分，可以有效保障相关煤质指标。