新元公司無煤柱開采充填技術(shù)應(yīng)用與推廣

呂 杰，卞 卡

(1.山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400；2.揚(yáng)州中礦建筑新材料科技有限公司，江蘇 儀征 211400)

當(dāng)今開采技術(shù)的進(jìn)步加大了對(duì)煤炭資源的開采力度[1]，然而，隨著煤炭資源開采深度和開采強(qiáng)度的增加[2]，巷道掘進(jìn)量加大、采掘接替緊張等一系列問題也隨之而來。由于煤層賦存條件的復(fù)雜性，留煤柱護(hù)巷形式不僅會(huì)造成煤資源極度浪費(fèi)，對(duì)于高瓦斯礦井而言，還會(huì)出現(xiàn)工作面上隅角瓦斯超限等無法避免的安全難題。眾多專家學(xué)者針對(duì)無煤柱護(hù)巷技術(shù)展開了大量的研究，在工程實(shí)踐中也取得了很好的效果[3-5]。陽煤集團(tuán)所采煤礦與全國其他煤礦相比瓦斯災(zāi)害較為嚴(yán)重,下屬新元公司3號(hào)煤為煤與瓦斯突出煤層，回采工作面一直采用“兩進(jìn)兩回”的“U+L”通風(fēng)系統(tǒng)，回風(fēng)、尾巷、配風(fēng)巷“三巷并掘”，煤柱寬度20 m。巷道掘進(jìn)量大、采掘接替和礦井供風(fēng)緊張、煤炭資源損失較多、上隅角瓦斯積聚超限等一系列問題嚴(yán)重影響礦井安全高效生產(chǎn)。針對(duì)存在的諸多問題，結(jié)合國內(nèi)外礦井生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),為改善傳統(tǒng)巷道布置與掘進(jìn)帶來的不足，新元公司3號(hào)煤所有工作面均采用高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采，極大地降低了瓦斯災(zāi)害、減少了區(qū)段煤柱損失,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)效果，同時(shí)也為解決瓦斯問題提供了新的技術(shù)途徑，增加了公司的技術(shù)儲(chǔ)備。

1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

新元公司主采3號(hào)煤層屬于高瓦斯突出煤層，賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，屬中灰、低硫的優(yōu)質(zhì)貧瘦煤，煤層以亮煤為主，內(nèi)生裂隙較為發(fā)育，煤層中含1～2層泥質(zhì)夾矸，夾矸厚度一般為0.02～0.06 m，煤層傾角一般為2～6°，平均為4°，煤層厚度2.20～2.93 m，平均2.86 m。直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為3.0～6.1 m；基本頂為中粒粉砂巖，厚度為2.20 m左右，底板為2.98 m的砂質(zhì)泥巖，其煤層頂?shù)装鍘r性情況如表1所示。

表1 巖層柱狀

工作面巷道布置情況如圖1所示，采用兩進(jìn)兩回的“U+L”通風(fēng)方式，由于工作面采空區(qū)隨采隨冒，進(jìn)入采空區(qū)后部橫貫的有效通風(fēng)距離短，工作面采空區(qū)漏風(fēng)易造成工作面上隅角和回風(fēng)風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>

圖1 工作面巷道布置方式

某工作面走向可采長度1 618 m，留巷巷道為工作面回風(fēng)巷，巷道沿3號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)斷面為寬×高(4.8 m×3.0 m)，巷道頂板錨桿索聯(lián)合支護(hù)，W型鋼帶連接，兩幫采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿、塑料網(wǎng)、木托板聯(lián)合支護(hù)。原有巷道布置存在的主要問題：

1) 突出煤層工作面需要4條巷道，掘進(jìn)頭多、占用風(fēng)量多、防突壓力大、萬噸掘進(jìn)率高、采掘接替和礦井風(fēng)量緊張。

2) 鄰近采空區(qū)巷道維護(hù)困難、返修量大，尾巷的配風(fēng)巷正好處于鄰近工作面高應(yīng)力采動(dòng)影響范圍內(nèi)，即使采用全錨索支護(hù)，巷道變形也非常嚴(yán)重，整巷工程量相當(dāng)于重掘一條巷道。

3) 每個(gè)工作面損失2個(gè)煤柱，3號(hào)煤優(yōu)質(zhì)資源損失量大，采區(qū)回收率僅69%。

4) “U+L”型通風(fēng)上隅角瓦斯涌出量大、難于管理。“U+L”通風(fēng)系統(tǒng)存在上隅角和尾巷瓦斯超限難于管理、不符合煤礦安全規(guī)程要求、風(fēng)流不穩(wěn)的問題。《煤礦安全規(guī)程》第一百五十三條規(guī)定：“采掘工作面的進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)不得經(jīng)過采空區(qū)或者冒頂區(qū)”，由于尾巷是通過采空區(qū)通風(fēng)，與現(xiàn)有規(guī)程不符，“U+L”通風(fēng)系統(tǒng)被迫淘汰。

2 無煤柱開采技術(shù)方案

相對(duì)于沿空掘巷而言，沿空留巷無煤柱開采技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)無煤柱護(hù)巷、提高煤炭回收率、緩解采掘接替緊張的難題，還可以改變工作面通風(fēng)方式，實(shí)現(xiàn)“Y”型通風(fēng)，有效解決了工作面上隅角瓦斯積聚與超限問題，在許多煤礦得到了應(yīng)用[6-8]。

鑒于沿空留巷頂板巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，沿空留巷圍巖變形、巷旁充填體變形以及支護(hù)體載荷的變化都與回采工作面的周期來壓有關(guān)系?；夭晒ぷ髅婧蠓?0 m范圍內(nèi)，巷道圍巖變形速度較大；當(dāng)周期來壓引起工作面后方基本頂弧形三角板失穩(wěn)時(shí)，巷道圍巖及巷旁充填體發(fā)生劇烈變形，支護(hù)體承受載荷也劇烈增加，這個(gè)區(qū)域一般在工作面后方20～40 m范圍內(nèi)。根據(jù)新元公司3號(hào)煤層賦存條件、頂板及兩幫圍巖支護(hù)狀況，在技術(shù)可行的情況下，從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，最終確定新元公司3號(hào)煤層采用沿空留巷工作面的巷旁充填支護(hù)所用高水材料水灰比為1.5∶1，甲乙料比為1∶1，將充填體部分置于采空區(qū)，充填體寬度為2.0 m，高度為2.9 m。工作面由“U+L”型通風(fēng)改為“Y”型通風(fēng)方式，從而解決了工作面上隅角瓦斯超限問題。高水材料特性如表2所示，充填體布置及通風(fēng)方式如圖2所示。

表2 高水材料特性

圖2 充填體布置及通風(fēng)示意

巷道在保留原支護(hù)形式的基礎(chǔ)上，頂板及兩幫補(bǔ)打4根D18.9 mm×6 300 mm，間排距為1 000 mm×1 000 mm的補(bǔ)強(qiáng)錨索。充填體巷旁支護(hù)采用D22 mm×2 200 mm，間排距為800 mm×800 mm的等強(qiáng)螺紋鋼對(duì)拉錨桿支護(hù)，支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 沿空留巷支護(hù)方案(mm)

3 工業(yè)性試驗(yàn)

沿空留巷巷旁充填滯后于工作面回采2～3刀進(jìn)行，工作面后方采空區(qū)預(yù)留2架擋矸支架為充填工作提供作業(yè)空間，根據(jù)設(shè)計(jì)的沿空留巷設(shè)計(jì)方案，配合輔助切頂卸壓，依次充填。沿空留巷巷旁充填由制漿系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)和充填袋立模三部分組成，其中，制漿系統(tǒng)由4臺(tái)攪拌桶組成，甲乙料各由兩臺(tái)攪拌桶單獨(dú)攪拌；泵送系統(tǒng)由2臺(tái)雙液注漿泵及注漿管路組成；充填袋立模主要包括聯(lián)結(jié)鋼筋網(wǎng)、吊掛充填袋和穿對(duì)拉錨桿。充填流程如圖4所示。

圖4 工作面巷旁充填工藝流程

3.1 巷道變形特征

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)際效果觀察，沿空留巷變形穩(wěn)定后最大頂?shù)滓平坎怀^1.2 m，頂?shù)装逡平缘坠臑橹?，兩幫移近量約650 mm，兩幫移近以實(shí)煤體幫變形為主。由于3號(hào)煤層煤體較軟，底板為泥巖，強(qiáng)度較低，工作面回采動(dòng)壓影響劇烈，故沿空留巷整體圍巖控制效果較好。

留巷復(fù)用前進(jìn)行整體起底，整個(gè)留巷復(fù)用期間，圍巖變形基本控制在允許的范圍內(nèi)，能基本滿足巷道使用的要求。巷道的基本支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)及巷旁充填支護(hù)基本滿足巷道掘進(jìn)、留巷到復(fù)用的支護(hù)要求。留巷變形情況如圖5所示。

圖5 沿空留巷現(xiàn)場效果

3.2 瓦斯治理效果

以首個(gè)沿空留巷工作面沿空留巷實(shí)施效果為例，采用沿空留巷“Y”型通風(fēng)方式后瓦斯治理效果明顯，工作面回采期間沒有發(fā)生瓦斯超限。

由表3可知，通過對(duì)比相鄰工作面的兩進(jìn)兩回“U+L”通風(fēng)系統(tǒng)和工作面兩進(jìn)一回“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)，“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)條件下瓦斯涌出量有所降低，瓦斯得到了有效治理，避免了在瓦斯臨界狀態(tài)下割煤。經(jīng)分析，瓦斯涌出量降低的主要原因有兩個(gè)：

表3 “U+L”通風(fēng)系統(tǒng)與“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)瓦斯對(duì)比

1) 由于沿空留巷將采空區(qū)與巷道有效隔離，采空區(qū)瓦斯流場改變，沒有大量涌向工作面。

2) 采用“Y”型通風(fēng)方式，工作面采場處在正壓情況下，瓦斯不易涌出，很好地解決了上隅角瓦斯問題。

3.3 沿空留巷經(jīng)濟(jì)效益

沿空留巷可以回收區(qū)段煤柱，減少回采巷道的掘進(jìn)，考慮到巷道掘進(jìn)成本降低以及多回收煤柱所帶來的效益，沿空留巷后工作面少掘1條巷道每米減少投入1.5萬元，沿空留巷綜合經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

4 結(jié) 語

1) 采用沿空留巷無煤柱開采技術(shù)，減少了巷道掘進(jìn)工程量，實(shí)現(xiàn)了3號(hào)煤層優(yōu)質(zhì)煤種的高效開采，緩解了采掘接替緊張的局面，保證了工作面的高效生產(chǎn)。

2) 工作面減少了區(qū)段煤柱損失，提高了采區(qū)采取率，給公司帶來了更多的經(jīng)濟(jì)效益。

3) 工作面由兩進(jìn)兩回“U+L”型布置方式調(diào)整為兩進(jìn)一回“Y”型布置方式，由于采空區(qū)受正壓作用，工作面瓦斯涌出量減少了一半，解決了上隅角瓦斯超限問題。

4) 實(shí)施沿空留巷不影響工作面的正常推進(jìn)。探索了一條適應(yīng)新元公司3號(hào)煤層瓦斯治理和巷道布置的有效途徑，取得了顯著的安全和經(jīng)濟(jì)效益。