10-102綜采工作面過空巷控制技術(shù)研究

任文奎

（山西焦煤集團霍州煤電集團安全監(jiān)察局，山西 霍州 031400）

1 工程概況

霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦正在回采10-102工作面位于一采區(qū)準備巷道左翼，上部為9-104、106采空區(qū)，西面為10-106采空區(qū)，東面及南面為實體煤。該工作面所采10#煤層的平均厚度為2.95m，煤層中部夾有3層厚度約0.2m的碳質(zhì)泥巖，煤層厚度變化較小，屬穩(wěn)定煤層。直接頂為平均厚度1.1m的泥巖，基本頂為平均厚度1.4m的砂質(zhì)泥巖，直接底為平均厚度0.8m的泥巖，基本底為平均厚度2.84m的泥巖。10-102工作面在回采過程中會穿過皮帶巷和軌道巷，如圖1所示。軌道巷沿煤層底板掘進，設(shè)計斷面為3.8×2.8m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護。當(dāng)10-102工作面回采至空巷附近時，由于超前支承壓力過大，可能會導(dǎo)致空巷的頂板垮落，影響工作面的安全生產(chǎn)。

圖1 10-102工作面過空巷示意圖

2 工作面過空巷圍巖變形破壞分析

2.1 模型的建立

根據(jù)木瓜煤礦10-102工作面上覆巖層的物理力學(xué)參數(shù)，借鑒類似綜采工作面過空巷的經(jīng)驗[1-2]，通過UDEC軟件建立10-102工作面過空巷模型，研究10-102綜采工作面過空巷時空巷的圍巖變形和塑性區(qū)的變化情況。所建數(shù)值模型計算選用Mohr-Coulomb模型，所建模型長300m，高60m，其中10-102工作面所過空巷寬3.8m，高2.8m。整個數(shù)值模擬經(jīng)過了6個步驟，依次為模型建立、原巖應(yīng)力平衡、開挖空巷、空巷支護、10-102工作面回采及計算平衡并分析。

2.2 工作面推進方案

數(shù)值模擬中10-102工作面分5個階段向空巷方向推進。第一階段，10-102工作面回采至距空巷25m處；第二階段，10-102工作面回采至距空巷20m處；第三階段，10-102工作面回采至距空巷15m處；第四階段，10-102工作面回采至距空巷13m處；第五階段，10-102工作面回采至距空巷10m處。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2 工作面回采過程中空巷圍巖變形特征

如圖2為10-102工作面回采過程中空巷的圍巖變形特征。觀察圖2（a）、（b）、（c）可發(fā)現(xiàn)：工作面從距空巷25m處回采至距空巷15m時，空巷的頂板及兩幫基本上沒有發(fā)生形變，并且煤柱側(cè)沒有出現(xiàn)明顯的塑性破壞區(qū)域。觀察圖2（c）、（d）發(fā)現(xiàn)：工作面從距空巷15m處推進至距空巷13m的過程中，空巷的兩幫及頂板開始發(fā)生形變，頂板的塑性破壞高度達到約4m，工作面回采對空巷造成的影響開始顯現(xiàn)。觀察圖2（d）、（e）發(fā)現(xiàn)：工作面從距空巷13m處推進至距空巷10m的過程中，在圍巖形變量繼續(xù)增大的基礎(chǔ)上，空巷煤柱側(cè)的形變量明顯大于實體煤側(cè)的形變量，這是由于回采工作面的采動影響對煤柱側(cè)和實體煤側(cè)的影響不同所致，煤柱側(cè)的塑性破壞深度由1.5m增加至3m左右，空巷進入回采劇烈影響期。觀察圖2（e）發(fā)現(xiàn)：工作面推進至距空巷10m處時，空巷的兩幫移近量和頂?shù)装逡平烤鶗^巷道允許的形變量范圍，并且煤柱側(cè)全部處于塑性破壞狀態(tài)，最終巷道可能會發(fā)生垮塌，工作面過空巷的危險系數(shù)極高。即使巷道不發(fā)生垮塌，也會由于圍巖變形量過大，導(dǎo)致巷道斷面嚴重縮小，影響行人及通風(fēng)，并且工作面在過空巷的過程中，由于工作面前端頂板持續(xù)下降，可能會造成支護設(shè)備及液壓支架的損壞，這些因素都容易造成事故的發(fā)生。

隨著工作面與空巷距離的不斷縮小，煤柱側(cè)將全部處于塑性破壞狀態(tài)，最終巷道可能會發(fā)生垮塌，工作面過空巷的危險系數(shù)極高。因此為了保證10-102綜采工作面安全順利地通過空巷，需要對空巷采取必要的補強支護措施。

3 過空巷技術(shù)及效果

3.1 高水材料空巷充填技術(shù)

高水材料空巷充填技術(shù)[3]是指在空巷內(nèi)充填凝固強度高、流動性較好的高水材料，利用充填體具有的承載能力保持頂板和其自身的完整，支撐基本頂并傳遞支架的支護阻力，在工作面過空巷時綜采機割下充填體以達到安全過空巷的目的。高水材料充填體具有良好的塑性變形特征，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，充填體的應(yīng)變達到10%左右時，變形后的充填體仍能保持峰值抗壓強度的50%以上。與一般的水泥類材料相比，高水材料的優(yōu)點突出表現(xiàn)在其較短的凝結(jié)時間，凝結(jié)早期強度高，可以通過改變水灰比和添加劑得到不同強度的凝結(jié)體來適應(yīng)不同的工況，高水灰比條件下的結(jié)實率為100%，單位充填體積內(nèi)的高水材料用量較少，便于施工。因此，可以通過在空巷內(nèi)充填高水材料來控制圍巖變形，防止工作面過空巷時發(fā)生冒頂、垮塌等事故。

借鑒類似工況下的作業(yè)經(jīng)驗，本次選取水灰比為2.25:1，高水材料在高水灰比的條件下，會由于水化反應(yīng)生成大量的鈣礬石，鈣礬石的結(jié)晶水分子容積高達81.16%，根據(jù)實驗得到，在該水灰比條件下，24h后材料的三軸抗壓強度達到了3MPa。

3.2 空巷充填施工方案

為了保證空巷注漿充填[4]的效果優(yōu)良，需要在較短的時間內(nèi)使?jié){液充滿整個待充填孔間，使高水材料充填體在凝結(jié)初期就有良好的接頂效果，因此要選擇合適的注漿作業(yè)設(shè)備并對施工人員進行作業(yè)培訓(xùn)。本次注漿選用2ZBYSB型雙液注漿泵，連接兩條直徑為32mm的高壓管路進行漿液的輸送，通過三通在充填點混合并進行充填。10-102綜采工作面所過空巷長度約220m，在進行空巷充填作業(yè)時，以巷道底板為標高，每8m劃分一段，自南向北依次充填。為了防止注漿過程中漿液流出充填段，需要在充填段起止兩側(cè)裝設(shè)止?jié){墻來保證該充填段的充填效果。止?jié){墻以木立柱為骨架，在其兩側(cè)釘上厚度為15mm的木板，并在木板表面襯一層風(fēng)筒布以達到止?jié){的效果。止?jié){墻裝設(shè)完成后，在充填段布設(shè)充填管路進行注漿作業(yè)，完成本充填段的注漿作業(yè)后，依次進行下一充填段的注漿作業(yè)。如圖3為空巷分段充填示意圖。

圖3 空巷分段充填示意圖

3.3 工作面過空巷效果分析

為了檢驗空巷的充填效果，在沿工作面長度方向上采用YHY-604型液壓支架測力儀布置上、中、下三條液壓支架測線，來監(jiān)測10-102工作面壓力的變化情況。工作面在揭露空巷、過空巷和通過空巷后的支架受力是不同的，將3條測線所得數(shù)據(jù)進行均值處理，繪制得到10-102工作面過空巷液壓支架平均壓力變化曲線，如圖4所示。

圖4 10-102工作面過空巷液壓支架平均壓力變化曲線

觀察圖4發(fā)現(xiàn)，10-102工作面距空巷的距離大于40m時，工作面液壓支架的平均阻力約29.4MPa，工作面支架阻力大小和空巷并沒有直接聯(lián)系；工作面由距空巷40m的距離推進至距空巷20m的距離的過程中，工作面液壓支架的最大平均阻力為29.6MPa，增幅不明顯；工作面由距空巷20m的距離推進至空巷的過程中，可以明顯觀察到工作面液壓支架的平均阻力迅速上升至30.5MPa，但是較支架正常工作阻力僅增加了3.6%，并且工作面過空巷時沒有發(fā)生支架安全閥開啟的現(xiàn)象；待工作面通過空巷后，工作面支架阻力恢復(fù)至正常值。

綜上，高水材料空巷充填技術(shù)在木瓜煤礦的現(xiàn)場應(yīng)用效果較好。10-102工作面通過空巷時，工作面液壓支架的平均阻力較支架正常工作阻力僅增加了3.6%，能夠保證10-102工作面安全的通過空巷。

4 結(jié)論

通過UDEC軟件建立10-102工作面過空巷模型，研究10-102綜采工作面過空巷時空巷的圍巖變形和塑性區(qū)的變化情況。發(fā)現(xiàn)隨著工作面與空巷距離的不斷減小，空巷的圍巖變形量和塑性區(qū)范圍不斷增大，圍巖塑性區(qū)達到4m左右，最終會導(dǎo)致空巷發(fā)生垮塌，需要采取措施避免空巷影響工作面的正常掘進。在現(xiàn)場應(yīng)用高水材料空巷充填技術(shù)后，工作面通過空巷期間工作面液壓支架的平均阻力僅增加了3.6%，并且沒有發(fā)生安全閥開啟的現(xiàn)象，能夠保證10-102工作面安全的通過空巷。