补连塔煤矿综采工作面过空巷泵送充填式支柱应用研究.pdf

煤炭工程 COAL ENGINEERING Vo l. 52, No . 6第52卷第6期 do i 10. 11799/c e202006008 补连塔煤矿综采工作面过空巷泵送充填式 支柱应用研究 王刚伟 国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司补连塔煤矿，内蒙古鄂尔多斯017209 摘要大采高综采工作面过空巷期间空巷内存在的冒顶、透水、压死支架等安全隐患严重影响 着煤炭的高效安全开采。泵送充填式支柱相比于木垛有压缩量小、根据工作面具体的地质及开采条件 可灵活选择支柱材料和布置方式的优点，并且泵送支柱施工工艺简单，残余强度高，易于采煤机切割。 以补连塔煤矿22310综采工作面为例，针对工作面来压强度大、范围大，底鼓严重，顶板维护困难等 问题，提出采用泵送充填式支柱支护方式对空巷顶板进行支护。现场实测空巷两帮移近量小于100mm, 顶底板移近量小于200mm。推采过程中工作面支架工作阻力变化小，顶板基本无破坏。 关键词综采工作面；过空巷；泵送充填式支柱；巷道支护 中图分类号TD325 文献标识码A 文章编号1671-0959202006-0038-05 Application of pump filling pillar in fully mechanized mining face of Bulianta Coal Mine WANG Wei-gang Sh end ong Bulianta Coal Mine, Ch ina Ener gy Investment Cor por ation, Or d os 017209, Ch ina Abstract Th e h id d en d anger s suc h as r oof c aving, water inr ush and h yd r aulic suppor t c r ush ing is ser iously affec ting th e c oal mining effic ienc y and safety wh en th e wor king fac e passes th r ough empty lane. Compar ed with th e timber suppor t, th e pump filling pillar is of less c ompr ession, and th e pillar mater ials and layout c an be selec ted ac c or d ing to th e spec ific geologic al and mining c ond itions of th e wor king fac e. Th e pumping pillar c onstr uc tion is simple, th e r esid ual str ength is h igh, and c an be easily c ut by sh ear er . Taking th e 22310 fully mec h anized mining fac e of Bulianta Coal Mine as an ex ample, and th e suppor t meth od of pump filling pillar is pr oposed in view of h igh and lar ge r ange weigh ting, sever e floor h eave and d iffic ult r oof main tenanc e. Th e c onver genc e of r oad way sid es is less th an 100mm , and th e r oof-to-floor c onver genc e is less th an 200mm. Th e wor king fac e suppor t wor king r esistanc e c h ange is small, th e r oof is not d amaged basic ally. Keywords fully mec h anized c oal mining fac e； empty lane c r ossing； pump filling pillar； r oad way suppor t 自我国资源整合以来，许多不具备安全生产能 力的地方小煤窑陆续被关闭，但由于小煤矿乱开乱 采，留有较多废弃、无法使用的空巷，煤炭开采过 程中工作面通过这些年久未修的废弃巷道称为过空 巷[l4]o受开采活动影响，空巷顶板遭到破坏，围 岩变形等问题严重影响着工作面安全高效生产45。 以补连塔煤矿22310综采工作面开采技术条件 为背景，结合煤层围岩条件及来压情况，进而确定 空巷治理及支护方式，为工作面安全高效过空巷提 供技术保障。 1工程背景 补连塔煤矿22310综采工作面位于补连塔煤矿 井田的22煤三盘区，地层倾向南西，煤层倾角为 13,标高1032.67-1074. 15m0上覆基岩厚度为 30226m,松散层厚度为032m。工作面煤层平均 厚度6.92m。22310综采工作面设计采高6.7m,采 用倾斜长壁后退式开采一次采全高采煤法，采用全 收稿日期2020-02-15 作者简介王刚伟1986-,男，山东聊城人，工程硕士，工程师，现任国家能源集团神东补连塔煤矿生产办副主任, 主要从事煤矿开采技术工作，E-mail 328652210qq.c om。 引用格式王刚伟.补连塔煤矿综采T.作面过空巷泵送充填式支柱应用研究[J].煤炭工程，2020, 526 38-42. 38 2020年第6期煤炭工程 专题论坛 部垮落法处理采空区。 根据已回采工作面实际情况，工作面老顶初次 垮落步距一般在50m以内，周期来压步距平均为 12. 1 15. 6m。22310综采工作面符合埋藏浅、基岩 厚度大等近浅埋深煤层的特征。根据以往回采经验， 存在“大小周期来压”初次来压步距呈现“中间 小、两头大”的特征，周期来压步距整体呈现“中 间大，两头小”的特征、顶板台阶下沉、矿压显 现明显、来压持续时间长、工作面片帮炸帮严重等 特征。周期来压期间，来压强度和范围大，尤其是 大周期来压期间，相应巷道副帮及受二次采动影响 巷道正帮超前20m范围内片帮严重，底鼓严重，顶 板维护困难。 2231综采工作面回采区域存在原上湾煤矿北 进风、回风井及水泵房变电所等巷道，因矿井资源 重新划拨.随后封闭。经过矿方及公司详细方案论 证，采用直接硬过的方法且不影响下层31煤安全回 采。但工作面过原上湾矿风井、水泵房变电所及空 巷期间存在冒顶、透水、压死支架等安全隐患。 22310综采工作面推采至空巷期间上覆存在3段 集中煤柱，第一类型为长14 8m宽20m的平行于 综采面的1段倾向煤柱，综采面推进至3645- 3665m,对应工作面支架位置为22*97支架；第二 类型为长150m宽15m的垂直于综采面的2段走向 煤柱，综采面推进至3670-3820m,对应综采面支架 位置为22*34“、89*97支架。集中煤柱覆盖工 作面位置松散层厚度510m,基岩厚度145-155m, 与12煤采空区层间距约为33 44m,煤厚6. 8 7.4m,含两层夹肝，距煤层底板约0. 16 0.40m, 夹肝厚度约0. l0.4m。上覆集中煤柱与工作面空巷 2确定与工作面同层空巷治理及支护方案 根据巷道布置情况现将与22310综采工作面处 于同一层面空巷划分为6个区域.其中，较长的三 个区域为1*、5*和6*,长度分别为100m、150m和 170m,其余为几十米长的不等短巷，总长度约为 670m。巷道布置整体情况如图2所示。 巷道原始支护为在锚、网支护的基础上，喷浆 支护为主、局部以砌碰支护为辅。对于综采工作面， 国内传统过空巷方法有①用密集支柱或木垛加强 对空巷顶板的支护；②用锚杆、锚索加固空巷顶板 和两帮。但由于密集支柱或木垛承载能力低，难以 抵抗工作面超前支承压力的作用，空巷在超前支承 压力的作用下产生冒顶和两帮大范围的片帮，而且， 当工作面接近空巷时，尤其是与工作面平行的空巷, 顶板有可能在空巷上方发生断裂，使工作面顶板下 沉量大幅度增加，木垛将被压缩至最大变形量位置， 甚至会出现被压劈裂的现象，空巷顶板会因木垛过 度压缩而引起离层乃至冒落，造成重大经济损失， 威胁安全生产。这2种方式只是加强了空巷的顶板 支护，并不能确保工作面安全快速推过空巷，顶板 可能发生整体下沉，因此.过空巷时仅仅加强空巷 支护是远远不够的。根据补连塔矿现有空巷特点， 对比木垛和泵送充填式支护的特性，确定空巷治理 及支护方式为泵送充填式支柱支护。 3泵送充填式支柱 泵送充填式支柱是将多种控制不同性能的无机 材料按一定配比混合后再与水按比例搅拌，通过注 浆泵输送到-定距离的充填袋里，凝固后形成柱式 支护。 泵送支柱具有支护面积大、整体性强、残余强 度高等优点。另外，由于灰浆泵的出口压力至少 1.2MPa和充填袋顶部是柔性的特点，保证了支柱接 39 专题论坛煤炭工程 2020年第6期 顶效果并有一定的初撑力。直径、高度分别为 0.76m和1.9m高的泵式支柱（带有和不带有加强 筋）在实验室全尺寸的压力试验结果如图3所示，显 示了典型的泵式支柱的压力位移变化特点和趋势。 以水灰比1.21为例，其初凝时间约4. 5min, 2h 后强度达到 4. 8MPa, 4h、8h、24h、7d、14d、28d 可 分 别 达 到 5.4MPa、6.3MPa、7.5MPa, 9MPa、 9. 8MPa和10. 2MPao而当水灰比降低到1 I, 3d可 达14MPa左右。 已有文献［9］研究表明单体支柱支护工作面, 一个循环内（昼夜放顶一爾），放顶期间距回采巷道 5m木垛加强支护处，顶板下沉量与木垛荷载量，见 表1,特征曲线如图4所示。 表1 一个循环内木垛支护工作参数 循环 号 工作参数 - 时间/h 04812162024 6 顶板下沉＞/mm1020405390140220 荷载/t0.20.31.01.82.02.32.8 8 顶板下沉量/mm4080120160200230260 荷载/t0.4 1. 11.92.42.83.74.6 10 顶板下沉量/ mni103062102148190240 荷叡10.30.81.52.02.32.93.5 0 50 100 150 200 250 300 木垛支护处顶板下沉量/mm 图4木垛支柱工作特性曲线 由图4可知，木垛支护时，顶板荷载-沉降曲线 近似成直线。以第8个循环为例，木垛荷载从0.4t增 加到2t时，顶板下沉量约为95mm；木垛荷载从2t增 加到4t时，顶板下沉量约为110mm。木垛可以看作是 40 缓增阻型支架，只有当顶板下沉量不断增大时，而且 在不断增加的情况下，木垛才缓慢增加其工作阻力。 泵送支柱与锚杆支护、木垛支护相比，支撑强度 高、让压变形能力强、残余支撑强度高、具有可切割 性，在实际生产过程中不会对设备造成额外的影响。 基于泵送支柱以上这些特点，该技术可应用于回撤通 道、软岩巷道及矿压较大的空巷支护，既能保证巷道 围岩稳定性，又可以保证煤机安全顺利地通过空巷。 4工程实践 4.1泵送支柱布置方式 由于巷道顶板为拱形，为保证接顶效果，基本布 置原则是单排布置，不规则三向交叉点及T-型交叉 点的泵送支柱布置，如图5所示。整体布置如图6 所示。 （a）不规划三向交叉点 （ （b）T-型交叉点 图5不规则区域泵送支柱布置示意图 北回风托 35 面方 北回风井 图6泵送支柱布置图 4.2泵送支柱工艺 泵送支柱施工包括两个方面挂袋支模和制浆 泵送。 挂袋支模首先按照事先确定好的位置，施工带 钩的膨胀螺钉进行定点，然后将模袋吊耳与膨胀螺钉 的挂钩相连，垂直下拉模袋与巷道底板相接，最后用 35根木条和3道铁丝将模袋固定，泵送支柱挂袋支 模方案如图7所示。 制浆泵送按照设计水灰比先加水后加料，根据 螺杆泵每分钟下料量，调节水管阀门，控制水灰比, 2020年第6期煤炭工程专题论坛 图7泵送支柱挂袋支模示意图 开始注浆，泵送支柱制浆泵送方案如图8所示。 4.3现场应用结果 2018 月 10 0 15 H 夜 2018 月 10 月 31 日早 班，22310综采面过空巷共推进了 155m,合计203 刀，利用Exc el软件将矿压数据制成曲面图，共观测 到1次小周期来压，8次大周期来压。10月18日早 班，工作面过管子道时，工作面出现矿压显现，步距 为13. 8m,压力持续6刀，支架活柱下沉量平均200 300mm,压力主要集中在100*140*支架，工作阻力 4246MPa,开启安全阀占全部安全阀的平均25, 顶板局部漏歼。10月15日早班（进入原北回风井前 4m）、10月16日早班（出煤柱05m范围内）、10月 19日早班（出北进风井空巷后6m）、10月20日中班 （进入主排水泵房约中间位置）、10月22日夜班（进 入水仓时）、10月24日夜班（进入泵房通道后6m为 与工作面平行空巷）、10月26日夜班（进入变电所通 道前3m）、10月28日早班（进入车场巷道前lm）出现 8次大压，来压期间整个综采面安全阀大部分开启, 占全部安全阀的平均71,顶板漏肝严重，煤壁片 帮、炸帮严重，来压强度和范围大，支架工作阻力为 4751MPa,支架活柱下沉量平均600-1000mm,来压 持续时间平均4.3-6. 9m,来压步距11.2-27. 4m,平 均19.3m。过空巷期间矿压监测如图9所示。 22310综采工作面从10月24日起，工作面开始 逐步贯通使用泵送充填式支柱支护的平行工作面空 巷。10月28 0,工作面来压，10月29 0,工作面没 有采取拉架调斜、降低采高等其他措施，割煤速度也 没有降低，工作面顺利通过空巷，空巷两帮几乎没有 图9过空巷期间矿压监测曲面图 任何变形，两帮移近量不到100mm。泵送支柱支护空 巷区顶板状况良好，顶板最大下沉量200mm,工作面 过空巷来压期间，泵送支柱起到非常好的效果。支架 工作阻力监测的矿压数据统计显示支架工作阻力在割 煤机接近、逐步揭露和通过空巷过程中没有显现较大 的异常值，说明支柱能稳定支撑顶板，经受住顶板不 同阶段的来压。 过空巷期间与正常回采期间矿压对比分析 1） 过空巷期间小压与正常来压对比，次数明显 减少，正常回采期间小压每天1次（每天推进约 13m），但过空巷期间（155m）仅出现1次。 2） 过空巷期间大压与正常来压对比，次数明显 增多，且来压强度和范围较正常回采显现更加剧烈。 正常回采期间大压步距约为4062m,过空巷期间大 压步距约为11.2-27. 4m,步距减少约5080。 3） 正常回采期间小压与大压间隔出现较规律, 约35次小压后出现1次大压，但过空巷期间基本以 大压为主。 4） 过空巷期间与正常回采期间相同点为机头、 机尾压力相对较小。综采面两端与中部支架来压步距 不同，周期来压步距整体呈现“中间小，两头大”的 特征，工作阻力整体呈现“中间大，两头小”的 特征。 5结论 1） 大采高工作面过平行于工作面空巷或与工作 面同层空巷是煤矿开采中的一大难题。泵送充填式支 柱的出现有效的解决了此类问题。泵送支柱施工工艺 简单、支护断面面积大、整体性强、支护强度大、残 余强度高、并且容易被采煤机切割等优点。 2） 泵送充填支柱与原有木垛支护、锚杆锚索支 护相比，可以根据22310综采工作面具体的地质及开 采条件，灵活选择支柱材料、施工水灰比、布置方 式、模袋形状、结构等，使支柱受力始终处于“给定 变形”条件下，控制顶板下沉。在工作面过巷期间, 空巷顶板状态良好，两帮及顶底板移近量较小均在可 控范围内。泵送充填支柱在补连塔煤矿22310综采工 41 专题论坛煤炭工程2020年第6期 作面的成功应用为此技术的推广提供了可靠依据。 参考文献 [1] 段春生.综采工作面过空巷支护实践研究[J].煤炭工程, 2010, 425 37-39. [2] 张朝.韩家坝煤矿综采面过空巷技术[J].煤，2018 229 29-30, 32. [3] 郑志军工作面过空巷顶板稳定性及支护技术[J].煤炭技 术,2017 , 364 73-75. [4] 高士岗.浅埋深薄层间距综采工作面过空巷技术[J].煤炭 技术,2017 , 36 10 67-68. [5] 董浩.东沟煤矿首采面安全过空巷方式研究[J].煤炭技 术，2017, 361 45-47. [6] 杨荣明，吴士良.神东矿区大采高综采工作面过空巷顶板结 构和支护方式研究[J].煤炭工程，2013, 454 55-58. [7] 王俊杰，曹建波，吴怀国，等.泵送充填式支柱在大采高工 作面过空巷支护应用研究[J]煤炭科学技术，2016 44 76-69. [8] 张锦红.泵送支柱支护技术在工作面过空巷中的应用〔J] 煤,2019236 28-29, 65. [9] 李家干，葛春贵.回采工作面木垛的作用[J].矿山压力与 顶板管理，19904 45-48. [10] 李生生.注浆充填技术在废弃巷道治理中的应用[C].中国 煤炭学会成立五十周年系列文集2012年全国矿山建设学术会 议专刊下.中国煤炭学会，2012. [11] 谢生荣，李世俊，魏 臻，等.综放工作面过空巷时支架-围 岩稳定性控制[J]・煤炭学报，2015, 403 502-508. [12] 徐青云，宁掌玄，朱润生，等.综放工作面充填过空巷顶板 失稳机理及控顶研究[J].采矿与安全工程学报，2019, 36 3 505-512. [13] 刘畅，杨增强，弓培林，等.丁作面过空巷基本顶超前破 断压架机理及控制技术研究[J].煤炭学报，2017, 428 1932-1940. [14] 李鹏.综放复采工作面过空巷支架工作阻力的确定研究 [J].煤炭工程,2018, 507 56-60. [15] 宋振骐，蒋宇静，刘建康“实用矿山压力控制”的理论和模 型[J]煤炭科技，20172 1-10. 责任编辑苏越 42