泵送支柱技術(shù)在工作面過空巷中的應(yīng)用分析

王瑞華

(山西煤炭運銷集團壽陽亨元煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400)

礦井綜采工作面開挖施工中，因地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)等多方面因素的影響，工作面作業(yè)具有繁雜性，再加上小煤窯存在偷采現(xiàn)象，使得內(nèi)部巷道的布置存在混亂性，綜采過空巷作業(yè)受到諸多阻礙，不利于工作的順利進行。為此，很多專家學(xué)者針對綜采過空巷問題實行探討，在原有支護技術(shù)的基礎(chǔ)上對過空巷技術(shù)予以創(chuàng)新和優(yōu)化，以期改進施工質(zhì)量，維護綜采過空巷施工安全作業(yè)。

1 項目簡介

某煤礦工作面主采12#煤，工作面總體長度約242 m，煤層厚度在3.5 m～4.4 m，傾斜角度最大不超過3°，埋深距離約在80 m～120 m，屬于近水平淺埋煤層。在綜采工作面作業(yè)中，推進距離在1 250 m左右，為改進施工質(zhì)量，選用大采高一次采綜合機械化開采設(shè)備，開采高度控制在3.8 m左右。

在現(xiàn)場煤層結(jié)構(gòu)調(diào)查中了解到，煤層結(jié)構(gòu)共分為直接頂、基本頂和直接底三部分，其中直接頂結(jié)構(gòu)是由中粒砂巖、粉砂巖、細粒砂巖構(gòu)成的，厚度約在7.5 m；基本頂由砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖混合構(gòu)成，厚度在21 m左右；直接底則是由粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖混合構(gòu)成的，厚度在5.3 m左右。

此外，在現(xiàn)場勘查中發(fā)現(xiàn)，本開采作業(yè)因受到小煤窯偷采問題的影響，在工作面中預(yù)留較多廢氣巷道，尤其是中部區(qū)域最為明顯，巷道尺寸為5 m×3.8 m，頂板近采用了錨桿、錨索、鋼梁及單體結(jié)構(gòu)的聯(lián)合支柱措施，這使得在工作面過空巷作業(yè)中，很容易因壓力的增大而導(dǎo)致工作面出現(xiàn)切頂或冒頂問題，進而增加多空巷施工的危險性，加大施工難度?；诖耍诠ぷ髅孢^空巷作業(yè)中，有必要采用泵送支柱技術(shù)對其予以支護保護，確保設(shè)備順利通過空巷位置。

2 泵送支柱技術(shù)

泵送支柱技術(shù)作為目前工作面過空巷采用的新型技術(shù)，在實際應(yīng)用中具有以下幾方面優(yōu)勢：首先，泵送支柱技術(shù)可有效增大頂板結(jié)構(gòu)的支護強度，替換原有的木垛或單體液壓支護，增強頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；其次，該技術(shù)在實際應(yīng)用中具有很好的切割性能，可加快過空巷的通過速度，有助于推進；最后，該技術(shù)的應(yīng)用增強了過空巷頂板結(jié)構(gòu)的抗壓變形能力，減少頂板破壞時對作業(yè)安全產(chǎn)生影響[1]。

泵送支柱技術(shù)在國外綜采工作面過空巷作業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，且憑借其良好的支護效果，該技術(shù)得到了進一步推廣，我國對該技術(shù)的引入時間較短，不過其發(fā)揮的作用卻較為顯著，有必要加大對其重視力度。

泵送支柱技術(shù)在應(yīng)用中需要的材料有可填充無機材料和充填袋這兩種。其中可填充的無機材料以硅灰、礦粉、硅酸鹽水泥這三種為主。在實際應(yīng)用前，需要結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)需求合理確定原材料配比，優(yōu)化材料性能。在實際作業(yè)中，將混合后的材料利用輸送泵運送到充填袋中，使其形成高強度的變形量支柱，以此達到支護效果。充填袋大多以圓柱形結(jié)構(gòu)為主，外層使用的材料為PVC涂布，涂布內(nèi)設(shè)置高強度的塑料綁帶或鋼絲材料，起到束縛作用，確?；旌狭陷斔偷匠涮畲?，能夠按照充填袋結(jié)構(gòu)形狀形成穩(wěn)定且高強度的支柱。

另外，充填袋還具有防火和較強的抗拉延展性能，能夠提高形成支柱的質(zhì)量，減少不良因素對其的影響。目前在工作面過空巷作業(yè)中，由于現(xiàn)場環(huán)境的不同，填充袋的尺寸也會存在差異，相應(yīng)的支柱直徑也會有所不同，最常出現(xiàn)的支柱直徑以0.5 m、0.6 m、0.8 m和1.0 m這四種為主。

同傳統(tǒng)的錨桿支護、木垛支護方式相比，泵送支柱支護能夠更好地提升支護效果，增強抗壓變形能力，維護過空巷的安全作業(yè)，再加上自身具有的可切割性，在實際作業(yè)中可有效改進施工效率，降低施工難度[2]。泵送支柱一般是由兩層充填體構(gòu)成的，上層厚度控制在300 mm左右，形成較為穩(wěn)固的讓壓層，避免頂板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形問題。單體的泵送支柱其承載能力可達到10 kN～50 kN，滿足了工作面過空巷施工作業(yè)的要求。且在發(fā)揮可切割性的同時，不會對其他設(shè)備帶來任何影響，相反還有助于提高設(shè)備施工效率，降低作業(yè)危險性。基于泵送支柱的上述特點,該技術(shù)可應(yīng)用于回撤通道、軟巖巷道及礦壓較大的空巷支護,既能增強巷道圍巖穩(wěn)定性,又可以保證煤機安全順利地通過空巷。

3 泵送支柱試驗

為方便工作人員進一步了解泵送支柱技術(shù)的功能和作用，通過模擬試驗方式對泵送支柱的性能實行檢測[3]。本次試驗中，制作了一個直徑200 mm、高600 mm的圓柱泵送柱體。其中的混合填充料約550 kg，在填充料配置過程中，水灰比控制在1.2～1.4，將填充料凝結(jié)時間控制在3 min～7 min，漿體的濕比重控制在每立方米1 300 kg～1 450 kg左右。試驗過程中，分別對裝有讓壓層和未裝有讓壓層的柱體實行試驗測試，了解泵送柱體強度變化情況。本次試驗政體測試周期約20 d。

在試驗階段內(nèi)，不同時間段內(nèi)泵送柱體抗壓強度值分別為：2 h的抗壓強度為1.2 MPa；4 h的抗壓強度為2.8 MPa；1 d的抗壓強度為3.6 MPa；3 d的抗壓強度為5.2 MPa；一星期的抗壓強度為7.4 MPa；14 d的抗壓強度為9.6 MPa；20 d的抗壓強度為15 MPa。泵送柱體應(yīng)力測試結(jié)果為：第一屈服點中，有讓壓層柱體的應(yīng)力值約16.8 MPa；第二屈服點中，有讓壓層柱體的應(yīng)力值約20.4 MPa；第一屈服點中，無讓壓層柱體的應(yīng)力值約7.6 MPa；第二屈服點中，無讓壓層柱體的應(yīng)力值約15.2 MPa；有讓壓層的殘余強度為12.2 MPa；無讓壓層的殘余強度為11.7 MPa。兩者均存在屈服破壞的情況。

通過對所得數(shù)據(jù)的分析可以看出，在單軸壓力的作用下，泵送支柱最大可承受的承載力在20.4 MPa左右，相當(dāng)于50 mm左右的距離。而在第二屈服點后，其承載力逐漸下降，直到達到屈服破壞值后，柱體出現(xiàn)輕微的破壞現(xiàn)象，待達到最大殘余強度后，才會出現(xiàn)明顯的變形問題，這足以說明泵送支柱的承載力較強，可以很有效加強頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

另外，在本次試驗中，通過對有讓壓層和無讓壓層的情況進行了分析對比，得出的結(jié)果為，有讓壓層的支撐結(jié)構(gòu)其強度要明顯高于無讓壓層的支撐結(jié)構(gòu)，且承擔(dān)荷載及承擔(dān)的變形量也逐漸增加，說明有讓壓層的泵送支柱可以起到支撐保護頂板結(jié)構(gòu)的作用，滿足工作面過空巷作業(yè)的需求[4-5]。

4 工程實踐

結(jié)合本工程項目的實際情況，在過空巷作業(yè)中，設(shè)置了泵送支柱作為主要支柱設(shè)施。泵送支柱的尺寸控制在1 m左右，并在頂端部位設(shè)置了一層厚度在300 mm左右的讓壓層，以此來增大支柱的強度。泵送支柱的高度則以空巷高度為準(zhǔn)進行設(shè)置，一般情況下約3.5 m左右。在整個區(qū)域內(nèi)平均設(shè)置了兩排泵送支柱，共134根，間距控制在3 m×3 m左右，兩側(cè)煤壁間距要控制在0.5 m左右。

將泵送支柱技術(shù)應(yīng)用到工作面過空巷作業(yè)中后，在施工過程中一共發(fā)生2次大面積的來壓，這使得支架壓力呈現(xiàn)上升趨勢，增幅較正常壓力增大了近2.7%左右。但對于空巷圍堰結(jié)構(gòu)來說，在高壓作用下，并未出現(xiàn)冒頂、幫鼓及底鼓等情況，巖層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較高，雖然頂板位置及兩幫位置出現(xiàn)一定的位移，位移間距分別為282 mm和152 mm，但并未對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，在過空巷期間未出現(xiàn)嚴(yán)重的失穩(wěn)情況，保障了開采作業(yè)的順利進行。

5 結(jié)語

根據(jù)上述實踐研究及試驗測試可以看出，泵送支柱技術(shù)在工作面過空巷作業(yè)中的合理應(yīng)用，有效提升了工作面過空巷中支撐面的承載能力，加大頂板結(jié)構(gòu)的強度，且通過可切割性能的充分發(fā)揮，降低過空巷作業(yè)的難度，提高了工作效率。另外，泵送支柱技術(shù)的引用也加強了結(jié)構(gòu)的支護效果，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免危險事故的發(fā)生。除此之外，在試驗分析過程中，通過有讓壓層與無讓壓層的試驗結(jié)果的對比分析，了解到泵送支柱技術(shù)在實際應(yīng)用中，合理設(shè)置有讓壓層能夠有效增大頂板結(jié)構(gòu)的強度，減少變形問題的產(chǎn)生，增大總體承壓能力，以此促進工作面過空巷作業(yè)的順利開展，全面改進綜采工作面的施工質(zhì)量。