張進(jìn)波

（山西焦煤山煤國(guó)際鹿臺(tái)山煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

0 引 言

我國(guó)瓦斯煤礦的生產(chǎn)工作面經(jīng)常受到瓦斯超限而影響正常的安全生產(chǎn)，尤其是沿空留巷的工作面。工作面切頂卸壓沿空留巷后，采空區(qū)密閉不好，大量采空區(qū)瓦斯進(jìn)入回風(fēng)流，導(dǎo)致回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛容^高，瓦斯含量超標(biāo)，更加的影響正常的安全生產(chǎn)。為了降低工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛?，本文以鹿臺(tái)山煤業(yè)有限公司2206 工作面為工程案例，開(kāi)展巷旁高水材料柔模墻隔離采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)研究與應(yīng)用。

1 概 況

鹿臺(tái)山煤業(yè)有限公司隸屬于山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司，井田位于山西省沁水縣張村鄉(xiāng)境內(nèi)。開(kāi)采深度+600～+960 m?，F(xiàn)采2 號(hào)煤層，平均煤厚2 m，瓦斯等級(jí)為高瓦斯礦井。2206 工作面地表位于礦區(qū)北部，馮村以北約2 km 的山區(qū)，回采范圍內(nèi)2 號(hào)煤層底板標(biāo)高+702.82～+805.53 m。地表為山林，無(wú)構(gòu)筑物、鐵路、公路、河流及水庫(kù)等。2206 工作面的系統(tǒng)布置采用“三條順槽+兩條切眼”布置，實(shí)現(xiàn)“Y”型通風(fēng)。其中2205 順槽為主進(jìn)風(fēng)巷（運(yùn)輸順槽），2206 順槽為副進(jìn)風(fēng)巷（軌道順槽），2207 工作面切眼、2207順槽和2206 順槽沿空留巷段組成2206 工作面通風(fēng)系統(tǒng)，平面布置示意如圖1 所示。

圖1 2206 工作面布置示意圖

礦井已在2202、2203、2205 三個(gè)工作面成功進(jìn)行了切頂卸壓沿空留巷，主要存在采空區(qū)密閉不好，大量采空區(qū)瓦斯進(jìn)入回風(fēng)流，導(dǎo)致回風(fēng)流中風(fēng)排瓦斯量13.5 m3/min，瓦斯?jié)舛雀?，瓦斯含量超?biāo)，影響正常的安全生產(chǎn)。

2 巷旁充填密閉

為了降低切頂卸壓沿空留巷工作面回風(fēng)流瓦斯量，在切頂卸壓沿空留巷的基礎(chǔ)上通過(guò)構(gòu)造巷旁充填墻實(shí)現(xiàn)密閉采空區(qū)，同時(shí)通過(guò)加強(qiáng)高位鉆孔主動(dòng)抽采和采空區(qū)埋管進(jìn)行采空區(qū)抽放瓦斯[1-2]。隔離或密閉采空區(qū)，防止漏風(fēng)導(dǎo)致采空區(qū)大量瓦斯進(jìn)入回風(fēng)順槽導(dǎo)致風(fēng)排瓦斯量超限[3-4]；2206 順槽的巷旁充填采用鋁基高固水充填的密閉墻，鋁基高固水巷旁柔模墻是以柔性模板和對(duì)拉錨栓作為成型和側(cè)向約束體[5-6]。2202、2203、2205 工作面切頂卸壓沿空留巷已經(jīng)結(jié)束，留巷巷道礦壓顯現(xiàn)以底鼓為主、頂板旋轉(zhuǎn)下沉為輔，兩幫變形較小。隨著采深的增加，2205工作面切頂卸壓留巷礦壓顯現(xiàn)最大，其中底鼓量600～900 mm，頂板旋轉(zhuǎn)下沉量300～500 mm，兩幫移近量200～300 mm。由于礦壓顯現(xiàn)以底鼓為主，在2206 工作面留巷過(guò)程中要注意底鼓和頂板旋轉(zhuǎn)下沉對(duì)巷旁柔模墻穩(wěn)定性的影響。

2.1 巷旁充填密閉墻寬度確定

為了保證充填體的穩(wěn)定，綜合考慮充填體的受力以及經(jīng)濟(jì)效益最大化，根據(jù)《盤(pán)架技術(shù)規(guī)范JGJ231-2010》中規(guī)定長(zhǎng)條形的獨(dú)立高支模架的總高度與架體的寬度之比H/B 不大于3[7]，因此，在巷旁充填密閉墻體高度2.8 m 時(shí)，最小厚度為0.93 m，再考慮取安全系數(shù)為1.2，因此巷旁充填墻最小寬度為1.12 m，取整數(shù)1.2 m。

2.2 巷旁充填密閉墻斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)礦方提供的資料，原巷道寬度5 000 mm，高度2 800 mm。綜合分析沿空巷道后期用途及施工要求，充填后巷道寬度不得低于4 200 mm，采用充填體800 mm 布置于巷道內(nèi)，400 mm 布置于巷旁采空區(qū)區(qū)域。 綜上考慮和分析，設(shè)計(jì)2206 順槽留巷寬4 200 mm，高2 800 mm，巷旁支護(hù)寬1 200 mm，如圖2 所示，柔模墻沿2206 順槽內(nèi)幫邊緣布置，其中巷道內(nèi)800 mm、巷外400 mm。

圖2 2206 巷道留巷斷面及柔模墻布置位置圖

2.3 巷旁充填密閉墻體支護(hù)材料及參數(shù)

采用煤礦沿空留巷柔模袋，見(jiàn)圖3。柔模墻尺寸：長(zhǎng)×寬×高=3 600 mm×1 200 mm×2 800 mm，充填袋尺寸：4 050 mm×1 300 mm×3 300 mm。

圖3 煤礦沿空留巷用柔模袋

在柔模墻頂部接頂模板中注入鋁基高固水充填材料，水灰比1.5∶1，柔模墻綜合單軸抗壓強(qiáng)度不低于10 MPa。鋁基高固水漿液的流動(dòng)性好，可有效解決長(zhǎng)距離泵送和頂板不平時(shí)的不充分接頂問(wèn)題。強(qiáng)度和煤接近，可實(shí)現(xiàn)圍巖同步協(xié)調(diào)變形。高動(dòng)壓環(huán)境下，柔模墻可起到高阻讓壓的效果，有利于沿空留巷高動(dòng)壓礦壓條件下的圍巖控制。

為了加強(qiáng)充填體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，安裝對(duì)拉錨桿和鋼筋梯子梁。每排4 根錨桿，間排距700 mm×600 mm，距頂?shù)?50 mm、兩邊300 mm，垂直安裝，如圖4 所示。巷旁充填體成型1 h 后，在充填體內(nèi)側(cè)采用扭矩扳手使螺母扭矩達(dá)到200 N·m，第二天再預(yù)緊一次。

圖4 對(duì)拉錨桿尺寸示意圖

鋼筋梯子梁采用φ14 圓鋼焊接而成，根據(jù)柔性模板尺寸加工2 種規(guī)格分別是：豎向布置長(zhǎng)2 200 m、內(nèi)寬60 mm、布置4 個(gè)對(duì)拉錨桿孔、孔中對(duì)中700 mm；橫向布置長(zhǎng)3 100 m、內(nèi)寬60 mm、布置6 個(gè)對(duì)拉錨桿孔、孔中對(duì)中600 mm。安裝好的鋼筋梯子梁、對(duì)拉錨桿在柔模墻的布置如圖5 所示。

圖5 鋼筋梯子梁、對(duì)拉錨桿在柔模墻布置圖

2.4 待充填空間臨時(shí)支護(hù)

為了防止充填前待充區(qū)域的頂部過(guò)大下沉或垮落，待支架移動(dòng)后，沿順槽走向方向采用π 型梁或者鉸接頂梁護(hù)頂，并采用DW3.15 型單體液壓支柱單體液壓支柱臨時(shí)支護(hù)，待充填空間打設(shè)2 排單體臨時(shí)支護(hù)，臨時(shí)單體支護(hù)間排距600 mm×900 mm；巷內(nèi)每個(gè)斷面3 根，間排距1400 mm×900 mm，距離巷道外幫600 mm，與巷道走向垂直布置。待充填段巷道空間單體臨時(shí)支護(hù)平面，如圖6 所示。

圖6 三角區(qū)域待充填空間單體臨時(shí)支護(hù)俯視圖

2.5 留巷施工時(shí)充填區(qū)域臨時(shí)支護(hù)

柔模墻至端尾支架后掩護(hù)梁最大距離不超過(guò)4 m。在進(jìn)行柔模墻施工時(shí)，挨著上一個(gè)柔模墻再布置一個(gè)長(zhǎng)3.6 m、寬1.2 m 的長(zhǎng)方形空間，準(zhǔn)備布置柔模墻，調(diào)整待充填區(qū)域內(nèi)的單體柱。在長(zhǎng)方形區(qū)域的3 個(gè)邊上布置單體，長(zhǎng)邊上的單體間距600 mm、距邊300 mm，長(zhǎng)邊布置6 根。短邊上的單體間距300 mm、距邊300 mm，短邊3 根單體，一共需15 根單體。每根單體必須穿鞋帶帽，如果在充填過(guò)程中出現(xiàn)單體側(cè)向滑動(dòng)，則根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加側(cè)向單體或者戧柱補(bǔ)強(qiáng)。

2.6 沿空留巷臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)

超前工作面煤壁的支護(hù)不低于20 m，煤壁20 m范圍內(nèi)采用“π 型梁+單體液壓支柱”進(jìn)行支護(hù)。沿巷道方向布置，總共布置3 排，排距由西向東依次為0.6、2.0 、（距巷道外幫）、0.5 m（距巷道內(nèi)幫），單體間距900 mm，距離均以單體柱內(nèi)側(cè)距離為準(zhǔn)。單體柱π 梁棚“一梁五柱”，梁頭各余0.1 m。支柱必須打在實(shí)底上，初撐力不小于90 kN，支柱使用防倒鏈防倒，防倒鏈一頭固定在支柱上端頭，另一頭固定在頂板鋼梁或網(wǎng)片上。三用閥注液口一律指向風(fēng)流方向，發(fā)現(xiàn)失效的支柱及時(shí)更換，單體支柱必須穿鞋。2206工作面沿空留巷段臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)為“一梁五柱”沿巷道傾向布置，間距900 mm、排距1 400 mm，第一根距離巷道外幫600 mm，π 型梁長(zhǎng)度4 m，柔模充填完成2 h 后摘除立模液壓?jiǎn)误w。

3 工作面采空區(qū)瓦斯治理設(shè)計(jì)

3.1 本煤層瓦斯預(yù)抽采

工作面主要采用運(yùn)輸順槽、軌道順槽和切眼式設(shè)一排平行鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯，鉆孔長(zhǎng)110 m，間距2.5 m，直徑113 mm，開(kāi)孔距巷底1.4 m，密封采用兩堵一注，鉆孔布置如圖7 所示。

圖7 本煤層抽采鉆孔布置平面圖

3.2 密閉墻埋管上隅角瓦斯抽采

采空區(qū)瓦斯?jié)舛入S距工作面越遠(yuǎn)而越高?？炕夭擅嬉粋?cè)較低，隨著距離的越來(lái)越大，瓦斯?jié)舛炔粩嗌?。因此，利用留墻上的預(yù)留孔安裝瓦斯抽采管路進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯抽采，能有效提高抽采效果。如果留設(shè)的風(fēng)排瓦斯量抽采管口離瓦斯積聚點(diǎn)較遠(yuǎn)，埋管抽采對(duì)采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流影響有限，抽采管不能及時(shí)的抽采積聚的瓦斯，則涌出瓦斯治理效果不高。根據(jù)條件類(lèi)似礦井的埋管抽采經(jīng)驗(yàn)，埋管抽采瓦斯口位于工作面后方20～40 m 時(shí)抽采瓦斯效果最佳，本方案設(shè)計(jì)埋管口留設(shè)間距30 m。如圖8 所示，在工作面瓦斯排氣管上每隔30 m 安裝一組三通控制閥。當(dāng)工作面推進(jìn)到三通控制閥時(shí)，將埋管口總成安裝在三通控制閥上。在工作面回采進(jìn)程中，抽采管口滯后保留在采空區(qū)，基本保持在上隅角的瓦斯積聚影響區(qū)。待工作面推進(jìn)到原埋管出口后30 m，打開(kāi)下一循環(huán)的埋管口閥門(mén)，以此達(dá)到埋管口始終位于工作面后方5～30 m 的目的。

圖8 采空區(qū)埋管布置示意圖

每間隔30 m（8 垛柔模墻）預(yù)留長(zhǎng)度1.6 m、直徑325 mm 的抽采硬管（PE 或PVC 材質(zhì)），距頂板0.3 m；抽采硬管（留巷側(cè)外漏長(zhǎng)度統(tǒng)一在0.3 m）穿過(guò)柔模墻，伸入采空區(qū)0.3 m，通過(guò)截止閥、三通和連接管接入留巷內(nèi)的主抽采管。

4 工作面采空區(qū)瓦斯抽采效果

2205 工作面未采用柔模墻密閉采空區(qū)，存在采空區(qū)密閉差，大量采空區(qū)瓦斯進(jìn)入回風(fēng)流，導(dǎo)致回風(fēng)流中風(fēng)排瓦斯量13.5 m3/min，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扰紶柦咏鼧O限值，不得不停止回采；2206 工作面采用柔模墻密閉采空區(qū)后，根據(jù)2206 工作面實(shí)測(cè)，本煤層瓦斯抽采量為4.55 m3/min。采用采空區(qū)邊緣埋管抽采，抽采純瓦斯量實(shí)測(cè)為0.83 m3/min。回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.28%，瓦斯?jié)舛炔怀?。從回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛瓤梢钥闯觯荛]后抽采效果好，濃度大幅降低。

5 結(jié) 論

通過(guò)采用柔模墻充填密閉采空區(qū)，輔以加強(qiáng)高位鉆孔主動(dòng)抽采和采空區(qū)埋管進(jìn)行抽放瓦斯。2206工作面本煤層瓦斯抽采量達(dá)到4.55 m3/min，采空區(qū)的純瓦斯量瓦斯抽采量達(dá)到0.83 m3/min，回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冉抵?.28%。有效密閉采空區(qū)、明顯改善采空區(qū)漏風(fēng)，提高高位鉆孔和采空區(qū)埋管瓦斯抽放量。采用巷旁充填密閉后工作面回風(fēng)巷瓦斯含量明顯降低，滿足礦井的安全生產(chǎn)。