過空巷綜采工作面頂板破壞機(jī)理分析及充填技術(shù)研究

毛希鵬

（昔陽坪上煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045300）

長期以來，綜采工作面過空巷一直是煤礦開采中的技術(shù)難題。當(dāng)工作面與空巷聯(lián)通后，由于控頂距的增大，加之空巷圍巖穩(wěn)定性差、受采場動(dòng)壓的影響較大，易發(fā)生冒頂、煤壁片幫、支架壓力過大等現(xiàn)象，給工作面的生產(chǎn)帶來不利影響[1]。

劉暢等[2]通過對綜采工作面過空巷時(shí)關(guān)鍵塊與液壓支架的受力狀態(tài)分析，并提出雙拱模型支護(hù)方案，取得較好的支護(hù)效果；伊康等[3]通過建立液壓支架-圍巖的耦合模型，對綜放復(fù)采工作面過空巷時(shí)支架應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果顯示頂板超前斷裂導(dǎo)致周期來壓提前，液壓支架應(yīng)力達(dá)到峰值；尹超宇等[4]對工作面過空巷時(shí)頂板的受力和斷裂位置進(jìn)行了研究，并采用數(shù)值模擬的方法分析了煤柱和基本頂破碎區(qū)影響范圍。

雖然目前眾多學(xué)者對綜采工作面過空巷頂板穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究，但由于穩(wěn)定性影響因素的復(fù)雜多變性，仍存在諸多問題。本文以坪上煤業(yè)15203回采工作面過軌道空巷為工程背景，通過分析過空巷綜采工作面頂板破壞機(jī)理，并提出高水材料填充空巷的技術(shù)方案，為相似工程提供借鑒。

1 工程概況

坪上煤業(yè)15203回采工作面蓋山厚度232～297m，平均262m，主要開采15#煤層，煤層平均厚度5.81m，平均傾角12°，采用走向長壁一次性采全高的采煤方法。工作面直接頂為平均厚度10.3m的泥巖，老頂為平均厚度5m的炭質(zhì)泥巖，直接底為平均厚度2.3m的中粒砂巖。為提高礦井回采率，對15203工作面局部設(shè)計(jì)進(jìn)行了重新布設(shè)，布置方式由原雙翼布置改為單翼布置。重新布設(shè)后15203工作面回采期間需要穿越廢棄軌道巷，空巷斷面為4.6m×2.9m的矩形，沿15#煤底板掘進(jìn)。由于原支護(hù)強(qiáng)度較低，加上空巷圍巖松軟破碎，當(dāng)工作面回采至空巷時(shí)，采場動(dòng)壓易造成空巷頂板垮落，導(dǎo)致工作面掘進(jìn)難度增大。

圖1 15203工作面示意圖

2 過空巷綜采工作面頂板破壞機(jī)理分析

2.1 頂板破壞特征

在綜采工作面過空巷時(shí)，由于空巷圍巖存在應(yīng)力集中區(qū)、煤巖破碎區(qū)，穩(wěn)定性較差，隨采區(qū)逐漸向空巷移動(dòng)，使得兩者間留設(shè)煤柱的寬度逐漸減小，在采動(dòng)應(yīng)力作用下導(dǎo)致煤柱承載性能降低，發(fā)生斷裂破碎、跨落破壞的現(xiàn)象，同時(shí)頂板的控頂長度增大，砌體梁結(jié)構(gòu)的位置和狀態(tài)發(fā)生變化，極易發(fā)生失穩(wěn)，導(dǎo)致頂板斷裂破壞、劇烈下沉，礦山壓力顯現(xiàn)明顯。

根據(jù)關(guān)鍵層理論，隨綜采工作面向空巷的移近，上部巖煤體剪切破壞，煤柱變窄應(yīng)力增大，直接頂與基本頂分離，基本頂形成半拱的砌體梁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致空巷受關(guān)鍵塊B斷裂的影響，處在應(yīng)力增高區(qū)，同時(shí)工作面礦壓增大。當(dāng)工作面頂板即將產(chǎn)生周期來壓時(shí)，煤柱發(fā)生破壞失穩(wěn)，關(guān)鍵塊B在空巷附近斷裂，斷裂長度橫跨煤柱和空巷，大于周期來壓步距，使得工作面和空巷發(fā)生破壞失穩(wěn)，同時(shí)使得液壓支架等支護(hù)設(shè)備處于危險(xiǎn)狀態(tài)，工作面不能安全順利通過空巷，如圖2所示。

圖2 頂板破壞模型

2.2 頂板破壞影響因素

2.2.1 煤柱寬度

圖3 煤柱應(yīng)力分布

隨綜采工作面向空巷移近，采動(dòng)應(yīng)力導(dǎo)致煤柱的支承應(yīng)力增大，當(dāng)大于煤柱支承極限后，煤柱塑性失穩(wěn)破壞，煤柱應(yīng)力分布表現(xiàn)為單峰型，如圖3所示。當(dāng)煤柱寬度小于臨界寬度時(shí)，煤柱由彈性狀態(tài)變?yōu)樗苄蜖顟B(tài)，此時(shí)煤柱支承性能減弱，工作面頂板破壞斷裂。此時(shí)煤柱承受空巷及工作面上部巖煤體的重量，將工作面頂板看作一端固定梁，長度等于煤柱寬度、空巷寬度和工作面與頂板周期斷裂線距離的和[5]，若其長度大于周期來壓步距，導(dǎo)致彎矩和剪切力增大，則頂板發(fā)生斷裂破壞，即：

2.2.2 空巷寬度

由（1）式可知，工作面頂板視為一端固定的梁，當(dāng)頂板梁長度且周期斷裂線距離時(shí)，即頂板梁長度等于周期來壓步距，剛好處于斷裂平衡狀態(tài)時(shí)，若空巷寬度大于空巷臨界寬度（頂板初次垮落步距），煤柱支承性能減弱，工作面頂板發(fā)生破壞斷裂，如圖4所示。此時(shí)，液壓支架無法承受上部巖煤體全部重量，需要對空巷重新進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。

圖4 空巷寬度對頂板影響

2.2.3 工作面與頂板周期斷裂線距離

由式（1）可知，工作面頂板視為一端固定的梁，當(dāng)周期斷裂線距離足夠大時(shí)，不考慮空巷寬度的影響，頂板長度也可大于周期來壓步距，使得煤柱支承性能減弱，工作面頂板發(fā)生破壞斷裂，此時(shí)，如圖5所示?？芍幢憧障飳挾容^小，也有可能發(fā)生工作面頂板斷裂破壞的情況。

圖5 周期斷裂線距離對頂板影響

2.3 頂板破壞力學(xué)分析

由上節(jié)分析可知，隨綜采工作面向空巷移近，工作面頂板穩(wěn)定性受煤柱寬度、空巷寬度和工作面與頂板周期斷裂線距離三因素的共同影響，當(dāng)頂板梁長度大于周期來壓步距時(shí)，頂板發(fā)生斷裂破壞。

依據(jù)離層假定[6]，由于工作面頂板無法承受上部巖煤體的重量，使得斷裂破壞向上發(fā)展，頂板梁厚度可按下式表示：

式中：ρ為密度，kg/m3；K為抗拉強(qiáng)度系數(shù)；σ為抗拉強(qiáng)度，kN/m2。

可以看出，綜采工作面過空巷后，工作面頂板斷裂破壞的長度和厚度有較大增長，維持工作面穩(wěn)定的液壓支架工作阻力也發(fā)生較大增長。

3 空巷填充技術(shù)研究

由于空巷的存在，使得巷道圍巖軟化，易形成應(yīng)力集中區(qū)，造成工作面冒頂、壓垮支架等重大事故，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。依據(jù)上節(jié)對綜采工作面過空巷頂板破壞機(jī)理分析，并根據(jù)15203回采工作面的地質(zhì)特性及變形破壞情況，提出高水材料填充空巷的技術(shù)方案。高水材料由甲乙兩種漿液混合而成，具有以下特點(diǎn)：

（1）硬化速度快、強(qiáng)度高。高水材料在高水灰比的條件下快速硬化，產(chǎn)生具有高強(qiáng)度、高硬度的鈣礬石，并且其強(qiáng)度可以通過改變外加劑和水的比例實(shí)現(xiàn)，水灰比越小抗壓強(qiáng)度越高，凝固24h后抗壓強(qiáng)度大5MPa。

（2）自修復(fù)性。當(dāng)固結(jié)體部分破壞后，在水的作用下可再次膠結(jié)，阻止巷道變形。

（3）一定塑性。高水材料固結(jié)體的塑形可一定程度削弱礦壓作用。

采用高水材料對空巷進(jìn)行填充后，原采掘煤巖部分被替換成填充體，使得巷道形成人工假頂、墻壁，破碎圍巖形成整體結(jié)構(gòu)，巷道再無垮落空間，阻止了巷道的變形。同時(shí)，高水材料可滲透流入破碎巖煤體縫隙中，提高圍巖強(qiáng)度，而工作面回采時(shí)可像正常采煤一樣切割填充體。為保證15203工作面的安全開采，綜合考慮工作面的開采因素、地質(zhì)條件及施工條件，最終選定漿液水灰比為3：1。注漿時(shí)根據(jù)空巷標(biāo)高，自低向高劃分每10m一段分段填充，填充時(shí)為阻止?jié){液流動(dòng)確保充填密實(shí)，需在各填充段兩端設(shè)置封閉墻，如圖6所示。

設(shè)置封閉墻后在各分段鋪設(shè)填充管線，采用雙液注漿泵對各填充段分別加壓注漿，主要工序包括配置漿液、加壓注漿、清理管路。配置漿液時(shí)甲乙兩種漿液單獨(dú)攪拌、加壓輸送，在注漿完成后，要及時(shí)清洗輸送管路和注漿泵，防止堵塞。待上段充填體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采煤機(jī)開始割煤，如此循環(huán)通過空巷。

圖6 分段填充示意圖

4 工程實(shí)踐

為評估高水材料填充空巷的效果，在工作面回采時(shí)沿工作面傾斜方向布置測線，采用YHY-60液壓支架測力儀對 51、52、53、54、55 架 ZF6000/17/28型支架的工作阻力進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測值取平均，并繪制曲線如圖7。通過分析可知，液壓支架工作阻力整體近似呈“山形”，當(dāng)工作面穿越空巷時(shí)支架工作阻力最大為30.5MPa，工作面距空巷的距離越大支架工作阻力越小，當(dāng)距離大于50m后支架工作阻力變化較小，維持在29.4MPa?？梢钥闯霎?dāng)工作面穿越空巷時(shí)支架工作阻力僅增大約3.7%，支架整體工作阻力變化較平穩(wěn)，均小于安全閥開啟壓力。同時(shí)在穿越過程中采煤機(jī)順利切割填充體，且未出現(xiàn)支架被壓死現(xiàn)象，表明該方案可以實(shí)現(xiàn)工作面較安全地通過空巷。

圖7 液壓支架工作阻力

5 結(jié)論

1）綜采工作面過空巷時(shí)影響頂板穩(wěn)定性的因素主要包括：煤柱寬度、空巷寬度及工作面與頂板周期斷裂線距離；

2）過空巷后，綜采工作面頂板斷裂破壞的長度、厚度及工作面液壓支架工作阻力均有較大增長；

3）工程實(shí)踐表明，采用高水材料對空巷進(jìn)行填充，工作面可以較安全地通過空巷，為相似工程提供借鑒。