西溝煤業(yè)3524工作面過空巷區(qū)圍巖控制技術研究與應用

尹俊丁

(山西陽城陽泰集團 西溝煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048106)

1 工程概況

山西陽城陽泰集團西溝煤業(yè)有限公司3524工作面位于五采區(qū)南翼東部，近似沿煤層走向布置，工作面南至軌道大巷保護煤柱，東側(cè)為孫溝村保護煤柱，北接五采區(qū)巷道，西側(cè)為規(guī)劃的3526工作面，工作面開采3號煤層，面內(nèi)殘留煤層厚度1.79～4.36 m，平均煤厚3.3 m，平均含有1層夾矸，煤層賦存穩(wěn)定，煤層頂板巖層為泥巖和粉砂巖，底板巖層為砂質(zhì)泥巖。工作面走向長度140 m，傾向長度589 m，工作面采用“一采一放”放煤工藝，機采高度為2.5 m，放煤高度為0～1.86 m，采放比為1∶0～0.74。

3524工作面為復采工作面，面內(nèi)存在大量小窯巷柱式開采的舊巷和空區(qū)，現(xiàn)以工作面內(nèi)靠近運輸巷處的一條空巷為研究背景，該空巷斷面為矩形，寬×高=4.5 m×5 m，巷道沿煤層底板掘進，空巷從工作面切眼處開始平行于運輸巷，空巷在70 m范圍內(nèi)與運輸巷間的煤柱寬度不大于2 m，距端頭30 m范圍內(nèi)有木垛支護，擬對空巷采用充填技術，確保工作面安全回采，具體空巷與工作面關系如圖1所示。

2 空巷圍巖變形模擬分析

3524工作面與空巷貫通前，工作面的空頂距會增大，且煤柱的承載能力也會大幅降低，進而造成工作面運輸巷頂板出現(xiàn)大面積的懸空現(xiàn)象，這會對工作面的安全回采和運輸巷圍巖的穩(wěn)定造成嚴重的安全威脅[1-3]。為保障工作面的安全回采，有必要對空巷圍巖的變形規(guī)律進行分析。現(xiàn)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，結(jié)合巷道特征建立長×寬×高=200 m×100 m×50 m的數(shù)值模型，根據(jù)空巷特征在模型中相應設置空巷，模型底部限制其豎直位移，模型兩側(cè)限制其水平位移，模型頂部施加等效自重荷載，模型中各巖層的力學參數(shù)根據(jù)地質(zhì)條件進行賦值。

圖1 3524工作面內(nèi)空巷位置平面

空巷與運輸巷間煤柱小于2 m的區(qū)域為工作面切眼前方70 m的范圍內(nèi)，現(xiàn)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分別對空巷未充填時，工作面回采10 m、20 m、40 m和60 m時圍巖塑性區(qū)和位移分布進行分析。

1) 塑性區(qū)分布：根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出工作面回采10 m、20 m、40 m和60 m時，空巷及運輸巷區(qū)域圍巖塑性區(qū)分布特征如圖2所示。

分析圖2可知，隨著3524工作面的向前推進，工作面內(nèi)空巷及運輸巷區(qū)域圍巖的塑性區(qū)發(fā)育范圍呈現(xiàn)出先逐漸增大后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。在工作面推進10 m時，圍巖運輸巷圍巖的破壞范圍為2 m，當工作面推進20 m時，圍巖塑性區(qū)的破壞范圍增大為3 m，隨著工作面的進一步回采，運輸巷區(qū)域的塑性區(qū)范圍基本保持不變。在工作面推進20 m時，運輸巷頂板開始出現(xiàn)張拉破壞，工作面內(nèi)空巷區(qū)域的頂?shù)装迤茐男螒B(tài)與工作面區(qū)域頂?shù)装宓钠茐男螒B(tài)抑制，空巷區(qū)域與運輸巷間煤柱的破壞主要以剪切-張拉破壞為主。

圖2 工作面回采空巷區(qū)域時空巷區(qū)域塑性區(qū)分布

2) 圍巖位移分布規(guī)律：根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出工作面回采不同長度時，圍巖垂直位移分布云圖如圖3所示。

圖3 工作面回采不同長度時空巷區(qū)域垂直位移分布云圖

分析圖3可知，工作面回采期間，空巷及運輸巷的垂直位移主要體現(xiàn)在頂板下沉和底板鼓起上，運輸巷巷幫圍巖的變形以水平位移為主。從圖中能夠看出，工作面回采推進10 m時，空巷頂板下沉量和底板鼓起量分別為30～30.2 mm和10～13 mm，當工作面推進距離增大，空巷區(qū)域頂板下沉量及底板鼓起量也逐漸增大，最終工作面推進60 m時，頂板下沉量為150～200 mm，底板鼓起量為10～15 mm。

基于數(shù)值模擬結(jié)果同樣能夠得出工作面回采期間空巷和運輸巷區(qū)域圍巖水平位移，具體工作面回采時空巷及運輸巷區(qū)域圍巖垂直和水平位移量數(shù)據(jù)如表1所示。從表中能夠看出，工作面回采期間空巷的垂直位移遠大于運輸巷。由于空巷與煤柱間間距小，空巷另一幫為采空區(qū)，從而空巷一幫與運輸巷一幫的水平位移整體相近。

表1 工作面回采期間水平位移和垂直位移數(shù)值

綜合上述分析可知，3524工作面在空巷未充填時回采，運輸巷塑性破壞范圍在2～3 m，主要為張拉破壞。空巷與運輸巷間煤柱主要為“張拉-剪切” 破壞，回采期間空巷內(nèi)的垂直位移量大于運輸巷道，兩者的水平位移量總體相近。

3 空巷充填技術方案及效果

3.1 空巷充填方案

1) 充填材料的確定：根據(jù)3524工作面及空巷的賦存情況，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果可知，若3524工作面在不充填進行回采作業(yè)時，工作面端頭跨度大，會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，容易發(fā)生頂板事故，且空巷內(nèi)原有木垛支護無法有效控制圍巖變形，故采用充填技術。充填材料選取時主要考慮其早期強度和后期強度，充填材料所需的早期強度計算公式為[4-5]：

σ1=k1k2(0.03+γh)

(1)

式中：σ1為充填材料的早期強度；k1為安全系數(shù)，取1.5～2；k2為實驗室測定強度與現(xiàn)場試件強度比值，取1.1～1.3；h為直接頂厚度；γ為直接頂容重。3524工作面直接頂泥巖厚度為0.59 m，容重為1 980 kN/m3，分別取k1、k2為2、1.3，代入式(1)中能夠計算得出充填體的早期強度應大于0.1 MPa。

3524工作面空巷內(nèi)充填體的主要支撐為泥巖和粉砂巖，巖層厚度為8.61 m，據(jù)此能夠計算得出充填體的承載強度為：

=0.59×0.019 8×0.020 5×8.02

=0.17 MPa

(2)

充填體的后期強度主要指材料膠結(jié)凝固28 d后所具備的強度，材料后期強度的計算公式為[6]：

σ2=K2(σ1+K1σh)=0.57 MPa

(3)

據(jù)此分析可知，3524工作面空巷內(nèi)的充填材料在后期的理論強度應大于0.57 MPa。綜合上述分析，確定本次空巷充填采用新型無機膠凝材料，材料水灰比為1∶1.5，材料的總體配比為水∶A料∶B料∶發(fā)泡劑=1∶1.5∶0.12∶0.1。該種充填材料的初凝時間為15～25 min，發(fā)泡時間為8～10 min，膠結(jié)凝固后的強度在0.7～0.9 MPa。

2) 充填方案：空巷在進行充填作業(yè)前，首先進行木垛回收和止?jié){墻構(gòu)筑，確?？障飪?nèi)形成密閉空間，待空巷密閉空間形成后再通過分段充填的方式進行充填作業(yè)，具體方案如下：①木垛回收：在空巷靠近端頭部位30 m范圍內(nèi)對井字木垛進行回收，每排木垛的間距為5 m，回收木垛后能夠保障充填質(zhì)量，同時可確保工作面回采時的正常截割。②止?jié){墻構(gòu)筑：在空巷充填起止兩端構(gòu)筑止?jié){墻，止?jié){墻上釘上木板后再加蓋風筒，另外在運輸巷回采幫采用背板+紗布的方式進行封閉，具體止?jié){墻構(gòu)筑方式見圖4。③分段充填：空巷充填采用分段充填方式，工作面內(nèi)空巷段總長為70 m，劃分為4個區(qū)段進行充填作業(yè)。第一區(qū)段和第二區(qū)段的長度均為15 m，第三區(qū)段和第四區(qū)段的長度均為20 m。在注漿充填時，確保每區(qū)段內(nèi)的一次充填高度不大于2 m，在同一空巷斷面內(nèi)以從下向上的方式依次進行間隔充填，直至充填材料完全接頂，以此避免空巷底部漿液在上部漿液的重壓下出現(xiàn)發(fā)泡受阻，充分保障充填效果，具體分段充填如圖5所示。④充填工藝流程：空巷充填時采用ZBYSB210/9-18.5型液壓注漿泵，該泵的最高油壓為25 MPa，充填工藝主要包括充填準備工作、注漿充填和充填后的清洗整理工作，具體充填工藝流程如圖6所示。

圖4 空巷封閉方式布置示意

圖5 空巷分段充填方式示意

3.2 效果分析

空巷充填完畢后，3524工作面順利回采推進通過空巷區(qū)域，推過空巷區(qū)域期間工作面無大范圍的冒頂片幫現(xiàn)象出現(xiàn)，液壓支架無壓架現(xiàn)象，液壓支架工作阻力均處于正常狀態(tài)。另外從工作面過空巷期間的圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，工作面推進通過空巷區(qū)域時，運輸巷頂?shù)装遄畲笠平繛?42 mm，兩幫移近量最大為95 mm，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 充填工藝流程

4 結(jié) 語

根據(jù)3524工作面及空巷具體特征，通過數(shù)值模擬分析空巷圍巖變形特征，得出運輸巷塑性破壞范圍在2～3 m，回采期間空巷內(nèi)的垂直位移量大于運輸巷。基于數(shù)值模擬結(jié)果具體進行充填材料選取、充填方案設計，根據(jù)充填方案實施后的效果觀測可知，充填效果顯著，保障了工作面順利推進通過空巷區(qū)域。