厚煤層回采工作面過垂直空巷圍巖控制技術(shù)

楊亞超 張利軍 郝萬鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊二號井，山西 長治 047100）

頂板安全[1-2]是保證井工礦井安全開采的重要因素之一，由于礦井生產(chǎn)需要、設(shè)計調(diào)整及遺煤復(fù)采等原因，部分工作面在開采過程中存在過空巷[3-4]的現(xiàn)象，由于空巷位于工作面內(nèi)部，受超前支承壓力作用，其圍巖往往較為破碎，極難維護(hù)，會造成工作面煤壁片幫和冒頂[5-6]，制約工作面安全高效生產(chǎn)。該論文結(jié)合趙莊二號井生產(chǎn)條件，分析了厚煤層回采工作面過垂直空巷圍巖控制技術(shù)，可為同類礦井開采提供參考。

1 工程概況

趙莊二號井主采3 號煤層，2305 工作面位于頂?shù)总噲龈浇眰?cè)為盤區(qū)大巷，東、西、南側(cè)均為實(shí)體煤。2305 工作面開采煤層平均厚4.05 m，平均埋深465 m。煤層直接頂為粉砂巖，厚1.89 m；基本頂為細(xì)粒砂巖，厚3.40 m；直接底為炭質(zhì)泥巖，厚0.8 m；基本底為砂質(zhì)泥巖，厚4.10 m。2305 工作面采用綜放開采，采高3.0 m，放煤高度1.05 m。工作面采用一進(jìn)一回布置，工作面切眼沿煤層頂板掘進(jìn)，寬8.4 m，高3 m，原設(shè)計切眼（一切眼）長110 m，可采長度426 m，后根據(jù)工作面設(shè)計調(diào)整，在23053 巷北面50 m 處布置一條23051 巷，將2305 工作面加寬，在距原設(shè)計切眼（一切眼）114 m 處布置二切眼，工作面推進(jìn)114 m 后與第二切眼相連，采面寬度增加為160 m。工作面布置如圖1。

圖1 2305 工作面布置示意圖

2 圍巖變形原因及控制對策

23053巷沿煤層頂板掘進(jìn)，巷寬4.5 m，巷高3 m。巷道采用錨桿索支護(hù)，頂板每排5 根錨桿，間距1000 mm，排距1200 mm，錨索采用“2-0-2”矩形布置，間距1900 mm，排距2400 mm；巷幫每幫每排4 根錨桿，間距800 mm，排距1200 mm。23053巷道掘進(jìn)后，周圍淺部圍巖在掘進(jìn)動壓影響下出現(xiàn)破壞。回采工作面通過23053 巷時，由于采動應(yīng)力作用，加大圍巖的破壞程度，使圍巖破壞深度增加，圍巖整體性降低，承載能力急速下降。加之23053巷內(nèi)頂板支護(hù)強(qiáng)度較低，導(dǎo)致回采工作面過空巷時，空巷頂板急速下沉，兩幫向內(nèi)鼓出，極易出現(xiàn)冒頂?shù)劝踩鹿省?/p>

為了維護(hù)回采工作面頂板安全，防止煤壁片幫和冒頂事故的發(fā)生，不僅需要加強(qiáng)空巷頂板支護(hù)強(qiáng)度，而且需要改善圍巖結(jié)構(gòu)，使破碎煤體能夠承載，從而維護(hù)頂板穩(wěn)定。因此，需采取“頂板錨索補(bǔ)強(qiáng)+空巷超前支護(hù)+圍巖改性注漿”的綜合控制方法，控制工作面煤壁及頂板穩(wěn)定，保證工作面安全開采。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 頂板補(bǔ)強(qiáng)

采用錨索進(jìn)行空巷頂板補(bǔ)強(qiáng)，錨索Φ22 mm，長度6300 mm，采用1×19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。錨索布置形式為“3-1-3”，在原兩排錨索之間補(bǔ)打3 根補(bǔ)強(qiáng)錨索，間距1500 mm，排距為2400 mm；在原兩根錨索正中間補(bǔ)打1 根補(bǔ)強(qiáng)錨索，排距為2000 mm。補(bǔ)強(qiáng)錨索施工后，新舊錨索呈現(xiàn)“3-3-3”布置形式。補(bǔ)強(qiáng)錨索均采用三根樹脂錨固劑的加長錨固，預(yù)緊力不低于250 kN。頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圖如圖2。

圖2 頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圖

3.2 空巷超前區(qū)支護(hù)

工作面回采后，采動應(yīng)力重新分布形成超前支承壓力，可知趙莊二號井以往工作面礦壓觀測數(shù)據(jù)分析，工作面超前支承壓力區(qū)影響范圍為25 m。以往工作面兩側(cè)順槽超前支護(hù)范圍為30 m，為了維護(hù)空巷頂板安全，在23053 巷進(jìn)行超前臨時支護(hù)，支護(hù)距離為工作面前方50 m 范圍，支護(hù)形式為一梁五柱，單體柱間距為1000 mm，兩側(cè)單體柱距巷幫250 mm，上部架設(shè)π 型梁，梁間距為1000 mm。工作面回采割煤前，回撤一排空巷支柱，采用支架護(hù)幫板支護(hù)空頂。

3.3 圍巖改性加固

（1）注漿加固鉆孔布置參數(shù)

由于空巷圍巖破碎，圍巖完整性差，承載能力低，回采工作面采動應(yīng)力作用引起煤壁片幫，必須改善破碎圍巖。在空巷兩側(cè)巷幫布置注漿加固鉆孔，采用兩次注漿加固（如圖3、圖4），鉆孔布置參數(shù)如下：

圖3 空巷注漿鉆孔及超前支護(hù)布置剖面示意圖

圖4 空巷巷幫注漿鉆孔布置示意圖

① 一次注漿加固。采用注漿錨索進(jìn)行加固，在起到改性注漿加固的同時可以提高巷幫支護(hù)強(qiáng)度。注漿錨索長6300 mm，每排布置兩根，上排距頂板1000 mm，仰角5°打設(shè)，下排距頂板2000 mm，垂直巷幫打設(shè)。注漿錨索排距為2400 mm，鉆孔直徑為30 mm。

② 二次注漿加固。采用注漿PE 管進(jìn)行注漿，注漿鉆孔與注漿錨索鉆孔交錯布置，同樣布置兩排，上排距巷道頂板600 mm，仰角5°打設(shè)，下排距巷道頂板1600 mm，垂直巷幫打設(shè)。二次注漿鉆孔排距2400 mm，鉆孔孔徑42 mm，孔深10 m。

（2）注漿加固工藝

為了保證空巷圍巖支護(hù)強(qiáng)度，一次注漿位于空巷超前支護(hù)以外，即打即注。注漿采用水泥材料配合水玻璃進(jìn)行注漿，注漿壓力一般不小于4 MPa，漏漿嚴(yán)重不可封堵時可停止注漿。二次注漿鉆孔在一次注漿結(jié)束后進(jìn)行施工，成孔后在孔內(nèi)插入注漿PE 管，待距回采工作面15～30 m 時進(jìn)行二次注漿鉆孔注漿施工。構(gòu)造影響區(qū)和一次注漿漏漿嚴(yán)重、壓力小于4 MPa 的區(qū)域，二次注漿采用化學(xué)注漿材料，注漿壓力不小于3 MPa；非構(gòu)造影響區(qū)和一次注漿壓力達(dá)到4 MPa 的區(qū)域，二次注漿可采用水泥材料配合水玻璃注漿，注漿壓力不小于4 MPa。

4 效果分析

2305 工作面二階段開采過垂直空巷長度共計312 m，回采用時三個月。回采過程中對空巷兩側(cè)煤壁片幫情況、空巷內(nèi)兩幫及頂板的變形等進(jìn)行觀測。通過觀測可知，注漿加固能夠提高圍巖的完整性及承載能力，工作面煤壁直立，無明顯片幫現(xiàn)象；錨索補(bǔ)強(qiáng)和空巷內(nèi)超前支護(hù)對空巷頂板控制效果較好，配合注漿改性加固，空巷超前支護(hù)區(qū)圍巖變形較小，圍巖穩(wěn)定可控，實(shí)現(xiàn)了工作面安全過空巷。

5 結(jié)論

回采工作面內(nèi)空巷對工作面頂板安全影響重大，需妥善處理，否則易造成冒頂事故。通過趙莊二號井2305 工作面實(shí)踐可知，垂直空巷一次揭露面積相對較小，采用“頂板錨索補(bǔ)強(qiáng)+空巷超前支護(hù)+圍巖改性注漿”的綜合防治方案，可以有效提高圍巖的整體穩(wěn)定性，保證工作面頂板安全。