残煤复采工作面过空巷群技术研究及应用

解宏亮

（山西焦煤华晋焦煤有限责任公司，山西 吕梁 033000）

残煤复采可以有效提高矿井资源回收率，延长矿井服务年限[1-2]。资源整合矿井，由于小窑开采影响，存在大量空巷，对矿井安全开采影响很大[3-5]。

1 工程概况

锦瑞煤业目前开采8 号煤层，随着易采资源的采出，目前未采资源多为老巷空巷和小窑破坏遗留煤炭资源，工作面回采期间将穿越大量空巷和小煤窑破坏区。8 号煤层平均厚3.21 m，倾角平均5.6°，煤层顶板为石灰岩。8102 工作面推进长度614 m，切眼长度150 m。8102 回风顺槽在掘进过程中和8102 工作面回采过程中会经过原设计8104 运输顺槽和回风顺槽及整合之前的旧巷道。8102 工作面共计有11 条空巷，有7 条空巷大致与切眼平行，最长约151.5 m，4 条空巷与切眼斜交，其中最长的空巷长度266 m，最短的空巷长度4.7 m。

2 过空巷群方法选择

为了选择合适的过空巷群方法，结合锦瑞煤业实际生产地质情况，采用数值模拟技术对木垛支护、锚杆支护和膏体材料充填支护三种支护情况下空巷围岩稳定性进行分析。

2.1 木垛支护

工作面在距空巷100 m 时，巷道围岩垂直应力很小，空巷并未受到工作面影响，空巷周围塑性区为掘进时引起的，以拉张破坏为主。空巷距工作面40 m 处时，由于工作面超前支承压力作用，其垂直应力值明显增大，但此时空巷稳定。之后随着工作面不断推进，巷道垂直应力逐渐增大，特别是在空巷与工作面距离小于30 m 时，巷道周围应力重新分布，空巷上下帮所受应力不均匀，导致巷道水平方向出现错动，巷道内变形严重。该区域巷道围岩塑性区面积同样不断增大，而且显现出浅部围岩以拉张破坏为主、深部以剪切破坏为主特征。采用木垛支护过空巷时，由于木垛支护强度小，让压范围大，导致工作面超前支承压力对空巷围岩作用大，空巷围岩出现明显的塑性破坏，使得巷道空巷围岩不稳定，顶板易出现台阶下沉甚至垮落，难以安全高效过空巷。垂直应力分布如图1。

图1 木垛支护下距工作面不同距离垂直应力分布

2.2 锚杆支护

当工作面在距空巷100 m 时，巷道围岩垂直应力很小，在工作面前方大约40 m 处垂直应力较大，可能受到工作面超前应力的影响，但此时空巷稳定；空巷围岩未受到工作面推进影响，塑性区以自身在前期掘进时引起的拉张破坏为主。而随着工作面不断推进，推进至40 m 处，巷道围岩应力逐渐增大，尤其是距空巷距离小于30 m 后，巷道周围应力重新分布，空巷上下帮所受应力不均匀，巷道下帮部受力明显大于上部，底鼓严重，这与木垛支护的水平错动不同。同时，锚杆锚索支护下巷道围岩应力分布要稍小于木垛支护，更为稳定。空巷围岩塑性区面积同样随着工作面不断推进而增大，而且显现出浅部围岩以拉张破坏为主、深部以剪切破坏为主的特征。采用锚杆支护时，围岩拉张破坏区域较木垛支护时要小，说明锚杆锚索支护空巷好于木垛支护。但当工作面割过空巷时，液压支架不能及时移至煤壁，增加了端面控顶距，易发生片帮、冒顶，不能从根本上解决过空巷的安全技术问题。垂直应力分布如图2。

图2 锚杆支护下距工作面不同距离垂直应力分布

2.3 充填支护

采用空巷充填的方式进行空巷支护，由于充填体在充满空巷空间的同时，还能够渗透到围岩浅部裂隙内，其可与空巷围岩形成一个整体，随着工作面距空巷距离的逐渐减小，能够与围岩共同承载，充填支护效果明显，能够有效降低掘进引起的围岩应力变化。同时由于充填体的支护作用，空巷围岩在工作面超前支承压力作用下，未出现新的塑性破坏，其塑性区的分布范围远远小于前两种支护方式下的空巷围岩，主要以拉张破坏为主。垂直应力分布如图3。

图3 充填支护下距工作面不同距离垂直应力分布

3 空巷充填技术工艺

3.1 充填物料

粉煤灰、添加剂、水的配比：粉煤灰950 kg/m3；添加剂45 kg/m3；水655 kg/m3。充填材料比重1.65。28 d 后充填体强度平均2.57 MPa。

3.2 充填系统

利用地面黄泥注浆站的设施及设备加以改造为充填站，在充填站旁布置三个粉料仓，两个作为粉煤灰仓各100 t，一个作为添加剂仓30 t。搅拌池内安装充填泵，搅拌机安装在充填泵上方，并在搅拌机内按照预定配比、预定浓度将粉煤灰、添加剂、水搅拌混合制成充填浆体，经过充填泵加压后通过管道输送至工作面旧巷。

3.3 充填方式

对8102 工作面内空巷按照由里向外的顺序进行充填，每条充填巷道根据坡度情况分段。巷道坡度在0～3°以内，充填距离控制在20 m；巷道坡度在3°～5°，充填距离控制在30 m；巷道坡度在5°以上，充填距离控制在40 m。原则上一次性充填局部整个空巷，同时必须保证膏体充实巷道，否则必须减小充填分段距离。采用单体支柱、木板、彩条布、编织袋等，沿充填巷道倾向建立挡浆墙，单体支护间距0.5 m，初撑力不小于90 kN。待第一段充填完毕，约在8～10 h 充填体达到初凝，无流动性，成为凝结体，并根据下一段充填距离掐管至第二道挡浆墙位置，并在第二段位置搭建挡浆墙，重复操作直至将巷道充填完毕。

4 应用效果分析

8102 工作面空巷量大，采用充填支护空巷，首先可以避免空巷内顶板支护作业和工作面空顶作业，作业更加安全；其次采用充填支护后，其工期相比木垛、锚杆支护缩短近80%，减少了大量的井下辅助运输量，工作效率明显提高。

8102 工作面回采过空巷期间，对工作面采煤机割充填体情况、充填体破坏情况、空巷顶板漏顶情况等进行了观测分析。工作面采煤机可以直接切割充填体，与割煤效果相仿，提高了工作面推进速度；同时充填体完整性较好，未出现大范围破坏现象，工作面顶板安全稳定。

5 结语

以锦瑞煤业8102 工作面过空巷群为研究对象，通过数值模拟分析，确定了充填支护过空巷群的方式，并进行了井下试验。工业试验表明，采用充填支护过空巷，工作面效率高、作业环境好，同时工作面顶板稳定、安全性高，确保了工作面安全高效过空巷。