綜采工作面過空巷高水材料局部充填法探究

李君青

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)公司安監(jiān)局 ，山西 臨汾 031400）

1 工程概況

此次研究的15403工作面位于某礦8#煤層的四采區(qū)，工作面用綜合機(jī)械法一次采全高，頂板用全部垮落法管理。工作面直接頂和直接底均為黑色泥巖，工作面煤層賦存條件穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤層節(jié)理簡單發(fā)育。該實驗工作面的煤層平均厚度為6.53m，平均傾角為4°。

圖1 工作面過空巷示意圖

該采區(qū)原本采用雙翼布置，工作面推進(jìn)長度較短，致使工作面經(jīng)常搬家，耗費了大量人力物力，影響正常的生產(chǎn)工作?，F(xiàn)設(shè)計為單翼布置，將有效地減少搬家次數(shù)，提高煤炭采出率。但是當(dāng)工作面推進(jìn)至空巷時，液壓支架承受著巨大的超前壓力，很可能導(dǎo)致液壓支架壓架，損壞工作面的采掘設(shè)備，這將嚴(yán)重影響采煤工作面的安全，甚至給煤礦造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

2 工作面過空巷時支架及空巷受力分析

由于該工作面采高較大，采動過程中對頂?shù)装寰哂袕?qiáng)烈擾動，工作面接近空巷時支架上有一定程度的應(yīng)力集中，導(dǎo)致頂板控制難度增加。在研究采煤工作面及空巷上覆巖層的穩(wěn)定性時，我們通常采用錢鳴高院士的關(guān)鍵層理論或鉸接巖梁理論，但是在開掘空巷時已經(jīng)破壞了煤層頂?shù)装宄跏嫉姆€(wěn)定狀態(tài)，工作面再次經(jīng)過空巷時，屬于二次采動影響，受力情況更為復(fù)雜，每個煤礦之間工程實際存在更大差異，因此我們必須重新探究過空巷時采場的礦壓穩(wěn)定機(jī)理，對具體條件和特殊情況分別研究探討，解決生產(chǎn)中的一些實際問題。

通過這些理論的分析，從工作面頂板和空巷的圍巖穩(wěn)定性方面論證了進(jìn)行加固支撐的必要性，但是并不能說明該工作面過空巷必須進(jìn)行加固處理，因此，我們在工作面推進(jìn)過程中，距離空巷不同距離時，對液壓支架的受力情況進(jìn)行觀測，結(jié)果如表1。

表1 工作面推進(jìn)至距空巷不同距離時液壓支架的受力

該工作面所選用的液壓支架的額定工作阻力為37.3MPa，從表中可看出工作面距離空巷12米時，支架阻力為37MPa左右，接近其額定工作阻力，隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，液壓支架受力進(jìn)一步增大，將難以承受，很可能會發(fā)生冒頂，液壓支架壓架等事故，因此在空巷內(nèi)必須采取有效的加固方式，使工作面在通過空巷時，液壓支架能夠正常工作，工作面能正常生產(chǎn)。

3 綜采工作面過空巷充填技術(shù)

3.1 高水材料局部充填空巷的過空巷技術(shù)

目前，國內(nèi)得到應(yīng)用的過空巷技術(shù)主要有采用木垛或者密集支柱、采用錨桿、錨索加固空巷的頂板以及兩幫、在錨網(wǎng)索加固的基礎(chǔ)上，進(jìn)行注漿加固等方法。此類充填方法基本都存在支護(hù)強(qiáng)度不足，成本較高，施工工藝復(fù)雜的問題，并且適用的地質(zhì)條件存在較大差異，因此，均未得到廣泛的認(rèn)可和推廣。由此想到用高水材料對空巷進(jìn)行局部充填，使充填材料代替了正常工作面的煤體，使采煤機(jī)能夠像正常情況下一樣進(jìn)行割煤，從而減少了液壓支架上的應(yīng)力集中，防止了空巷內(nèi)頂板的提前垮落，使工作面順利的通過空巷。

3.2 局部充填下空巷直接頂力學(xué)模型

上覆巖層的壓力簡化為q,將巖空巷的受力視為彈性簡支梁，梁的厚度為h，兩端的垂直反力為Fy，總彎矩為M，假設(shè)充填體的高度為b，寬度為a。

圖2 局部充填下空巷直接頂力學(xué)模型

充填體對于上覆巖層的作用力簡化為q1，對圖2所示的頂板彈性支承梁作進(jìn)行受力分析，則得豎直方向的平衡方程為：

圖3 任取截面i-i梁的受力分析

如圖3所示，對于兩個充填體間的頂板，任取一截面i-i進(jìn)行受力分析，截面上力為Fi、彎矩為Mi，可得平衡方程如下平衡方程可得：

由式（2）得：

式中：y為該點到中性軸的距離；I為該截面的慣性矩：σd為該的正應(yīng)力。

將式（3）代入式（4）得：

i-i截面內(nèi)任一點的正應(yīng)力計算公式為：

該梁的上表面受到最大壓應(yīng)力，下表面受到最大拉應(yīng)力，頂板中部下表面最易破壞，當(dāng)達(dá)到其拉應(yīng)力極限時：

式中：h0為空巷頂板錨固區(qū)厚度。

將式（5）代入式（6）得：

令：

當(dāng)f（a）=0解得兩個實根，一個為負(fù)，因為a＞0，故舍去，解得正實根為：a1=11.9m。這意味著當(dāng)兩個充填體的間距為11.9m時，空巷內(nèi)頂板達(dá)到應(yīng)力極限，間距若大于它時，很可能會垮落，因此，結(jié)合該礦地質(zhì)條件，從安全和經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，當(dāng)取安全系數(shù)為1.5時，將充填體的間距固定為8m。

3.3 局部充填下的空巷圍巖穩(wěn)定分析

工作面過空巷關(guān)鍵的問題就是液壓支架會出現(xiàn)應(yīng)力集中，影響正常的生產(chǎn)，液壓支架的超載，最終還是由頂板過大的下沉量導(dǎo)致，因此，現(xiàn)以頂板的下沉量為判別依據(jù)，來探究最為合適的充填體長度?，F(xiàn)用flac3D軟件，分別模擬當(dāng)充填體長度為6m、8m、10m時，在距離空巷10m位置處的頂板下沉量變化曲線，結(jié)果如圖4。

圖4 工作面距空巷10m處不同充填體長度對應(yīng)位移曲線

從圖4中可以看出，當(dāng)空巷充填體小于8m時，隨著充填體長度的增加，工作面頂板下沉量減小速率較大。當(dāng)空巷充填體長度大于8m時，隨著空巷充填體長度的增加，頂板下沉量減小速率變小。

當(dāng)充填長度有6m增加到8m時，隨著充填體長度的增大，頂板下沉的速率明顯減小，而當(dāng)充填長度由8m增加到10m時，頂板下沉量減小速率并沒有明顯變化，說明當(dāng)充填體長度達(dá)到8m時，再增大充填體的長度，并不能提高支護(hù)的效果，因此，從安全、經(jīng)濟(jì)、效率多方面考慮，確定充填體長度為8m。

3.4 空巷充填施工方案確定

充填時根據(jù)此部分巷道底板的標(biāo)高，以8m為一段，由東南向西北依次充填，為了保證空巷充填密實，在充填第一段時，為防止?jié){液流失，充填段起止兩側(cè)打設(shè)止?jié){墻。打設(shè)完成后，在充填地段布設(shè)充填管道進(jìn)行充填。為避免管堵塞影響充填，在分段施工的巷道內(nèi)布置2～3條混合管，并固定在分段巷道最高處的頂板上，如圖5所示。為保證充填區(qū)得到充分充填，充填至止?jié){墻上排氣管出漿，用棉紗堵住出氣管后繼續(xù)充填5～10min。充填完畢后，

由于充填體具有較大的流動性，在充填段的兩端分別打設(shè)止?jié){強(qiáng)，來阻隔充填材料的流失，為避免充填過程中管道的堵塞，在分段施工的巷道內(nèi)布置2～3條混合管，并且將注漿管道鋪設(shè)在空巷頂部。用棉花堵住排氣管，當(dāng)漿液由排氣管流出時，再繼續(xù)充填5～10min，保證該區(qū)段充填充分。該段充填完畢后取出管道，用棉紗堵住充填管。第一段充填完成后，安裝局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行空巷通風(fēng)，用同樣的方法繼續(xù)充填。

圖5 局部充填示意圖

4 礦壓觀測結(jié)果分析

該工作面為綜合機(jī)械化開采，一次采全高，為監(jiān)測工作面支架壓力及變化情況，設(shè)置工作面液壓支架測站，將觀測點設(shè)置在未充填段的液壓支架上，對于該段的6個液壓支架的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，繪制其折線圖，結(jié)果如圖6所示。

圖6 在距離空巷不同距離時液壓支架的壓力變化

由圖6可知，工作面通過充填后的空巷時，巷道內(nèi)壓力由29.3MPa增加到30.45MPa，增幅為3.92%，且最大壓力小于該支架的額定工作阻力，必定不會影響采煤工作面對正常生產(chǎn)。

工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，液壓支架受力又回到之前正常狀態(tài)，由此可知采用高水材料進(jìn)行局部充填過空巷效果良好，解決了過空巷時液壓支架壓架或空巷頂板超前垮落的問題。

5 結(jié) 論

針對于本礦工作面過空巷遇到的頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題，通過實地監(jiān)測，從理論方向分析，基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬，得出的解決方法進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗，最終得出如下結(jié)論：

1）為了避免了巷道冒頂、片幫等事故的發(fā)生，使工作面安全通過空巷，可對空巷采用高水材料進(jìn)行局部充填，增強(qiáng)空巷的自穩(wěn)能力，減小液壓支架上的應(yīng)力集中，使工作面快速安全的通過空巷。

2）通過對局部充填空巷建立力學(xué)模型，對其進(jìn)行力學(xué)分析，得出充填體的極限間距為11.9m。從資源節(jié)約，經(jīng)濟(jì)可靠多方面進(jìn)行考慮，取一定的安全系數(shù)，最終決定空巷充填體間距為8m，充填長度為8m。

3）通過工業(yè)性試驗，對現(xiàn)場充填后的巷道進(jìn)行礦壓監(jiān)測，得知采煤工作面通過空巷時，支架壓力有較小波動，工作阻力的最大值僅增加了3.92%，現(xiàn)場空巷維護(hù)狀況良好，空巷未出現(xiàn)明顯的變形失穩(wěn)，最終使該工作面對生產(chǎn)安全順利的進(jìn)行。