項(xiàng) 目 名 稱 綜采工作面高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用
主要完成單位 山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦
主要參加人員 曹俊文 李小平 朱國(guó)平 郝 宇 孫志剛 王丙迎 劉西煜 趙永清 洛建軍 安 雯 趙海潮 喬 磊 張軍建
一、研究背景
屯蘭礦作為煤與瓦斯突出礦井，目前2#煤層工作面采用U型通風(fēng)和在瓦斯治理巷中施工大直徑鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯的治理模式。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，這種生產(chǎn)模式存在諸多問(wèn)題，一是瓦斯治理巷需復(fù)用為下一個(gè)相鄰工作面的一條順槽，但要經(jīng)歷2次采動(dòng)影響，巷道變形量大，維護(hù)困難；二是工作面回風(fēng)順槽與瓦斯治理巷間需留設(shè)護(hù)巷煤柱，因此每個(gè)工作面均要損失20m寬的煤柱，煤炭資源損失大；三是2#煤層工作面U型通風(fēng)方式一般采用皮帶順槽回風(fēng)，存在“一段進(jìn)、一段回”、回風(fēng)順槽存在電器設(shè)備的問(wèn)題，安全風(fēng)險(xiǎn)大；四是存在回風(fēng)上隅角瓦斯積聚等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，采用沿空留巷、實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)即可解決。
目前主要的沿空留巷方式主要是切頂卸壓沿空留巷和人工充填沿空留巷，屯蘭礦雖然正在采用切頂卸壓技術(shù)進(jìn)行護(hù)巷，但要實(shí)現(xiàn)沿空留巷仍然有技術(shù)難點(diǎn)沒有克服；膏體充填沿空留巷技術(shù)在屯蘭礦已有8個(gè)工作面采用，取得了良好的效果，技術(shù)比較成熟，但經(jīng)過(guò)測(cè)算在投入費(fèi)用上高水充填比膏體充填每延米節(jié)約6142.88元，在技術(shù)上高水充填技術(shù)與膏體充填技術(shù)相比有工人的勞動(dòng)強(qiáng)低、運(yùn)輸距離短、充填體構(gòu)筑速度快等優(yōu)點(diǎn)，高水充填技術(shù)比膏體充填技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，屯蘭礦在22301工作面開展新型高水速凝材料巷旁充填沿空留巷項(xiàng)目，以提高礦井資源回收率，解決通風(fēng)及瓦斯治理上的難題。
二、實(shí)施情況
1.工作面概況
22301工作面井下位于北三盤區(qū)右翼，設(shè)膠帶順槽、軌道順槽、瓦斯治理巷三條巷道。工作面1#、2#、3#煤合采，煤層平均厚度4.75m，切眼長(zhǎng)度205m，煤層最大傾角8°，最小傾角2°，平均約4°?；仫L(fēng)措施巷與皮帶順槽開處距離為1600m左右，在工作面回采到22301回風(fēng)措施巷前開始留巷，通風(fēng)系統(tǒng)由U型向Y型轉(zhuǎn)變。
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22301工作面巷道平面布置圖
2.高水材料沿空留巷技術(shù)方案設(shè)計(jì)
（1）巷旁充填體參數(shù)設(shè)計(jì)
根據(jù)22301工作面皮帶順槽頂板巖層情況，通過(guò)建立充填體切頂沿空留巷力學(xué)模型分析技術(shù)和以往的工程實(shí)踐，考慮該巷道現(xiàn)有布置狀況及留巷后的用途，
設(shè)計(jì)高水材料水灰比為1.5:1，巷旁充填體高度為3.5m，寬度2.2m，全部位于采空區(qū)內(nèi)，留巷后巷道寬度為4.5m，充填體一次充填長(zhǎng)度根據(jù)工作面推進(jìn)速度設(shè)計(jì)為3.4m（4刀），一天充填一次或兩次。為了減輕施工難度，端頭前5架支架割煤高度不得超過(guò)3.5m。割煤時(shí)高度沿頂控制在3.2m，移架后再平整底煤。
采用對(duì)拉錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼筋梯子梁對(duì)充填體進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，以進(jìn)一步增強(qiáng)巷旁充填體的抗變形能力。通常在沿空留巷Y型通風(fēng)采空區(qū)上部會(huì)積聚大量高濃度瓦斯，為保證較高的瓦斯抽采率、充填安全施工前提下，設(shè)計(jì)在留巷充填體內(nèi)每間隔6.8m（2垛充填體）預(yù)留長(zhǎng)度2.7m、直徑300mm的瓦斯抽放管，位置位于充填體中上部距頂板位置500mm，抽采管道穿過(guò)留巷充填體，伸入采空區(qū)即可，并在里端焊接濾網(wǎng)。
充填體加強(qiáng)支護(hù)布置及埋管布置圖
（2）充填區(qū)域圍擋空間設(shè)計(jì)
根據(jù)22301工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件和礦上條件，選用單體液壓支柱配鉸接頂梁進(jìn)行圍擋臨時(shí)支護(hù)。設(shè)置2排密集支柱，割煤后需要在端頭支架4架頂板上方鋪設(shè)柔性塑料網(wǎng)，移架后及時(shí)在支架后方打設(shè)2排密集支柱+鉸接頂梁支護(hù)，使得采空區(qū)側(cè)柔性塑料網(wǎng)下墜在密集單體液壓支柱的外側(cè)，防止矸石進(jìn)入充填區(qū)域。具體支護(hù)參數(shù)為：第1排距充填體外側(cè)位置800mm，第2排距充填體外側(cè)1100mm，兩排單體液壓支柱間距300mm左右，交錯(cuò)布置。
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（a）平面圖
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（b）A-A剖面圖
（c）B-B剖面圖
（3）工作面巷旁充填工藝流程
①充填區(qū)域頂板支護(hù)
工作面割煤→端頭液壓支架鋪設(shè)頂網(wǎng)→充填區(qū)域頂板加固→工作面移架→架后擋矸密集支柱支護(hù)。
②構(gòu)筑充填體
清理浮煤→充填體定位→立模（掛鋼筋網(wǎng)、單體液壓支柱、吊充填袋、穿對(duì)拉錨桿）→聯(lián)系注漿站配料注漿→清洗管路和注漿設(shè)備→回收立模單體支柱。
③清理現(xiàn)場(chǎng)，準(zhǔn)備下一循環(huán)。
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工作面巷旁充填工藝流程圖
三、實(shí)施效果
為觀測(cè)巷道圍巖變形和充填體的變形，研究支護(hù)參數(shù)的合理性，在沿空留巷過(guò)程中設(shè)置相應(yīng)的測(cè)站，22301工作面皮帶順槽從留巷前30m開始，以后每隔50m設(shè)1個(gè)測(cè)站，采用“十”字法和頂板離層儀觀測(cè)頂?shù)缀蛢蓭偷南锏绹鷰r變形量。根據(jù)所設(shè)置測(cè)站，取較為典型的1#表面位移測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，巷道表面位移及表面位移速度監(jiān)測(cè)曲線如圖所示。
巷道圍巖表面變形曲線圖
巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：（1）工作面后方0~20m范圍內(nèi)，頂板幾乎無(wú)下沉，圍巖變形較小。（2）工作面后方20m~110m范圍內(nèi)，圍巖有較為明顯的變形。其中實(shí)煤體幫側(cè)頂?shù)滓平孔畲?，最大值達(dá)到800mm，其中最大頂板下沉量為140mm，底鼓量660mm，可見變形主要是底鼓，充填體側(cè)頂板最大下沉量250mm；兩幫移近量最大為550mm。移近速率都呈現(xiàn)先增大后逐漸變小至零的趨勢(shì)。（3）工作面后方110m以外，圍巖變形量很小，變形速率逐漸趨向于零。
四、應(yīng)用情況
2020年7月在屯蘭礦22301工作面實(shí)施高水充填沿空留巷技術(shù)，目前留巷效果良好。沿空留巷穩(wěn)定后巷道圍巖實(shí)煤體幫側(cè)頂?shù)滓平坎怀^(guò)800mm，充填體幫頂?shù)滓平坎怀^(guò)610mm，兩幫移近量在550 mm左右，整體變形量不大，圍巖控制效果較好。成巷效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了預(yù)期技術(shù)指標(biāo)（巷道90%區(qū)域的頂?shù)装寮皟蓭鸵平啃∮谠懈叨燃皩挾鹊?0%），充填墻體未出現(xiàn)壓垮情況，所留巷道安全可靠，滿足復(fù)用要求。
五、效益分析
1.經(jīng)濟(jì)分析效益
22301工作面成功充填留巷1400米，每米留巷成本21482.75元，共計(jì)投入費(fèi)用1400×21482.75=3007.585萬(wàn)元；多回收煤炭資源10萬(wàn)噸（15米×1400米×3.5米×1.36），可洗選精煤約6.8萬(wàn)噸，精煤價(jià)格按照1280元計(jì)算，可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值8704萬(wàn)元；少掘送一條巷道的費(fèi)用：按照每掘進(jìn)立方米300元計(jì)算，300×4.5×3.5×1400=661.5萬(wàn)元。
綜上，22301工作面采用沿空留巷能夠產(chǎn)生共計(jì)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值：8704+661.5-3007.585=6357.915萬(wàn)元的直接經(jīng)濟(jì)效益（說(shuō)明：以上成本估算的掘巷成本價(jià)只計(jì)算了直接成本，沒有計(jì)算瓦斯治理成本）。
2.社會(huì)效益分析
（1）和掘巷相比，同樣準(zhǔn)備一個(gè)工作面可少掘一條巷道，掘進(jìn)率降低30％左右，可大大緩解回采工作面接替緊張的局面。
（2）沿空留巷實(shí)現(xiàn)了工作面的Y型通風(fēng)，兩順槽都進(jìn)新鮮風(fēng)流，解決了隅角瓦斯積聚，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，有利于安全生產(chǎn)。
（3）由于沿空留下的巷道仍保持正常的通風(fēng)、排水，可作為工作面的另一個(gè)安全出口，提高了工作面的抗災(zāi)變能力。
（4）和混凝土沿空留巷相比，輔助運(yùn)輸量小，充填工藝簡(jiǎn)單，可直接接頂，操作方便。
六、應(yīng)用建議
1.高水充填沿空留巷適用于頂板條件較好，煤層埋深不超過(guò)1000m，破碎程度不高的工作面使用。
2.沿空留巷是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，為確保沿空護(hù)巷的成功實(shí)施，除了嚴(yán)格按照沿空留巷施工工藝，確保施工質(zhì)量外，應(yīng)根據(jù)礦壓觀測(cè)結(jié)果及時(shí)進(jìn)行反饋分析，及時(shí)優(yōu)化完善方案；
3.沿空留巷支護(hù)一般可分為基本支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)和巷旁支護(hù)三部分，三個(gè)部分必須相互協(xié)調(diào)，相互作用，共同起到切斷巷旁頂板和維護(hù)巷道穩(wěn)定的作用。由于各礦生產(chǎn)技術(shù)條件不同，需要一面一策，避免盲目照搬，保證沿空留巷成功實(shí)施；
4.為了適應(yīng)工作面快速推進(jìn)和進(jìn)一步降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，特別是工作面推進(jìn)速度較快、一次充填量較大時(shí)，建議：①泵站采用自動(dòng)上料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化上料、自動(dòng)化上水，精準(zhǔn)控制材料配比；②充填點(diǎn)采用端頭特殊支架、擋矸支架和快速充填模具；
5.在留巷巷道掘進(jìn)時(shí)一次性采用高強(qiáng)度的錨網(wǎng)索支護(hù)，避免二次（補(bǔ)強(qiáng)）支護(hù)及多次支護(hù)。
6.堅(jiān)硬頂板難切落時(shí)，可采用配套的乳化液鉆機(jī)快速輔助切頂，降低留巷維護(hù)難度和減少充填用料，進(jìn)一步優(yōu)化充填體參數(shù)。
