高水材料充填支柱在大采高工作面過空巷中的應(yīng)用

王 煒

(山西晉煤集團(tuán)澤州天安海天煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

采煤工作面在正?；夭蛇^程中，往往會(huì)遇到一些歷史上由于小煤礦無序開采或綜采工作面設(shè)計(jì)方案變更而在工作面中部區(qū)域留設(shè)下來的斜交、垂直或平行于工作面的空巷。國(guó)內(nèi)綜采工作面過空巷、廢巷及小窯采空區(qū)采用的技術(shù)手段仍然比較傳統(tǒng)，多是采用人工架設(shè)木垛、打設(shè)單體支柱、空巷全充填法，甚至是采用跳采二次搬家的方式。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，采用木垛支護(hù)方式，木垛支護(hù)強(qiáng)度一般為3MPa左右，支撐面積約0.3m2左右，最大支撐荷載在100t左右，在工作面推進(jìn)到空巷附近時(shí)10m左右，易發(fā)生木垛被壓垮、壓塌，工作面易發(fā)生壓架、倒架等問題；采用單體柱支護(hù)方式，常常會(huì)造成至少三分之一的單體柱無法正?；厥眨牧侠速M(fèi)嚴(yán)重，而且遇到底板松軟的情況，單體柱往往無法起到應(yīng)有的作用；采用空巷全充填方式，存在用料量大、成本過高、投入人力物力大以及割煤過程中產(chǎn)生廢棄料過多等問題；直接跳采、二次搬家方式，會(huì)造成煤炭資源丟失，同時(shí)工作面二次搬家、安裝需要花費(fèi)較多時(shí)間，投入大量的人力和物力，經(jīng)濟(jì)效益不劃算。如何尋求一種既能控制空巷圍巖有害變形，又能達(dá)到良好經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)方法是目前工作面過空巷亟待解決的問題。因此，本文以成莊礦5314大采高工作面為工程背景，提出高水材料充填支柱過空巷技術(shù)，幫助工作面安全通過空巷，實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)[1-6]。

1 工作面概況

5314大采高工作面位于成莊礦五盤區(qū)大巷以北，5312大采高工作面以西，五盤區(qū)北翼集中回風(fēng)巷及運(yùn)輸巷以東。工作面采高約6.0m，工作面走向長(zhǎng)度1455m，傾向長(zhǎng)度356m。由于對(duì)應(yīng)工作面的上方存在村莊，在初期工作面設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)劃在工作面推進(jìn)至約438m位置處時(shí)進(jìn)行甩刀把作業(yè)，將工作面傾向長(zhǎng)度調(diào)整為167.5m，整個(gè)甩刀把區(qū)域在工作面走向方向上的長(zhǎng)度為661m，占到整個(gè)工作面走向長(zhǎng)度的45.4%。隨后由于地面村莊提前完成搬遷，采掘計(jì)劃發(fā)生調(diào)整，不需再進(jìn)行甩刀把作業(yè)，因此需要提前加固對(duì)接切眼，將空巷對(duì)工作面回采造成的影響降到最低。

圖1 5314大采高工作面巷道布置圖

2 充填支柱材料性能

充填支柱主要是為了在工作面回采至空巷時(shí)，起到支撐頂板的作用，保證工作面正?；夭?。為了達(dá)到的良好的應(yīng)用效果，通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等手段，確定了充填支柱材料的性能要求。雙液充填支柱材料性能主要表現(xiàn)為快凝、早強(qiáng)、高滲透性、結(jié)石率高等特性，凝結(jié)時(shí)間和膠結(jié)強(qiáng)度可調(diào)。具體如下：①兩種漿液在混合前，6h內(nèi)漿液不凝固、不泌水、不沉淀；②兩種漿液混合后，0～5min失去流動(dòng)性，5～15min完全固化；③漿液在0.5～2∶1水灰比下漿體結(jié)石率可達(dá)100%；④結(jié)石體2h的強(qiáng)度能達(dá)到8～15MPa以上，雙液充填支柱材料抗壓強(qiáng)度對(duì)比見表1。

表1 雙液充填支柱材料抗壓強(qiáng)度對(duì)比 MPa

3 充填支柱支護(hù)理論

充填支柱工作原理，可以適當(dāng)借鑒木垛支護(hù)原理，其主要產(chǎn)生抗-讓壓相結(jié)合的效果。充填支柱上部充填發(fā)泡材料，給頂板下沉空間，讓圍巖釋放彈性能量，降低頂板壓力對(duì)充填體的破壞。而后隨著充填支柱的承載頂板，載荷增加，由于充填支柱材料本身特性，軸向受壓后，支柱產(chǎn)生塑性變形，由于材料自身彈性模量較大，此時(shí)支柱變形較小。隨著頂板的不斷來壓，充填支柱的載荷也不斷增加，當(dāng)承載能力達(dá)到峰值，柱體結(jié)構(gòu)開始破壞，由于膜袋和環(huán)筋的約束，支柱就會(huì)被不斷的壓縮，但其基本的支柱形態(tài)保持不變。支柱的抗壓強(qiáng)度降低，峰后殘余強(qiáng)度起主要的支承作用[7-12]。

隨著頂板不斷下沉，充填支柱不斷被壓縮，橫截面積不斷增大。理想狀態(tài)下，原有充填支柱的底面積為S，高度為H，體積V=S·H，當(dāng)頂板下沉量為h，根據(jù)等體積換算，支柱的底面積計(jì)算公式為：

S1=S·H/(H-h)

根據(jù)公式推導(dǎo)，頂板下沉后橫截面積S1擴(kuò)大百分比(h/H-h)%，那么隨著頂板進(jìn)一步下沉，雖然充填支柱的抗壓強(qiáng)度不斷降低，但是由于橫截面積的增大，充填支柱的承載能力下降梯度就會(huì)變緩慢，支柱強(qiáng)度梯度變化示意圖如圖2所示。

圖2 支柱強(qiáng)度梯度示意圖

4 空巷支柱方案設(shè)計(jì)

4.1 對(duì)接切眼充填支柱布置方式

1)對(duì)接切眼與53412巷連接處支柱設(shè)計(jì)，此處長(zhǎng)度約10m，寬度約11m，高度為4.6m左右。沿切眼方向支柱按照3列布置，采用直徑1.2m支柱。布置方式為“四·四”，支柱間排距1m×1m，支柱靠近兩側(cè)煤壁的間距均為1m，支柱的布置數(shù)量約為16個(gè)。

2)里程11～19m為巷道起坡段，巷高逐漸降低為3.9m，按照對(duì)接切眼的走向方向每排布置三個(gè)支柱，每排間距(邊對(duì)邊距離)為1.7m。支柱距離回采側(cè)煤幫距離約為0.8m，距離另一側(cè)煤壁間距為1.1m。近幫支柱直徑分別為1.2m、1m，巷道中部支柱直徑設(shè)計(jì)為1.5m。沿空巷方向每排間距(邊對(duì)邊距離)為1.5m，支柱高度統(tǒng)一設(shè)計(jì)為4.5m。

3)里程19～180m區(qū)域巷高穩(wěn)定，此處支柱布置方式與起坡段相同，支柱高度統(tǒng)一設(shè)計(jì)為4.1m，布置方向如圖3所示。

圖3 對(duì)接切眼空巷支柱布置示意圖(mm)

4.2 空巷支柱施工工藝

本次充填采用的設(shè)備主要包括：雙液氣動(dòng)注漿泵、高速攪拌機(jī)、低速緩沖攪拌機(jī)、定容水箱。充填系統(tǒng)主要由2臺(tái)定容水箱、2臺(tái)高速制漿機(jī)、2個(gè)盛漿桶、1臺(tái)注漿充填泵及相關(guān)管路連接組成，充填系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 空巷支柱充填系統(tǒng)示意圖

充填泵送能力按照6m3/h，2套系統(tǒng)考慮、每班按6h計(jì)算，每班充填72m3，每天2個(gè)班充填，1個(gè)班準(zhǔn)備，每天充填144m3，約48個(gè)充填柱；考慮礦井每天90t的運(yùn)輸能力，則每天可以完成30個(gè)充填支柱，每天可以完成45m巷道的加固，預(yù)計(jì)工期15～20d。

5 效果考察分析

5.1 空巷充填體應(yīng)力監(jiān)測(cè)

在對(duì)接切眼靠近工作面?zhèn)鹊膬膳懦涮钪еg隔30m安裝一個(gè)應(yīng)力計(jì)，分別安裝在距離53142巷20m、60m、100m、140m、180m的位置，共計(jì)10個(gè)。

對(duì)接切眼距離工作面煤壁剩余7～8m時(shí)，工作面突然周期來壓，煤壁片幫漏頂較為嚴(yán)重，工作面超前支承壓力向前方轉(zhuǎn)移，對(duì)接切眼壓力顯現(xiàn)明顯，主要表現(xiàn)為底板鼓起，頂板向工作面?zhèn)葍A斜，對(duì)接切眼內(nèi)充填支柱呈“V”字型向兩側(cè)傾斜，最大角度達(dá)到14°，鋼圈大量繃斷，膜袋開裂掉渣?，F(xiàn)場(chǎng)情況來看，支柱受壓破碎變形自對(duì)接切眼中部開始向兩側(cè)蔓延，工作面?zhèn)戎е鶜臄?shù)量和嚴(yán)重程度高于中間和停采線側(cè)支柱。

一方面支柱受壓破壞導(dǎo)致支柱上方安裝的測(cè)力計(jì)失效，另一方面對(duì)接切眼中部巷道變形嚴(yán)重，人員無法進(jìn)入，因此僅巷口最外側(cè)處測(cè)點(diǎn)收集了完整的數(shù)據(jù)，如圖5所示。由圖5可以看出，工作面煤壁距離對(duì)接切眼20m左右時(shí)，巷內(nèi)支柱開始受力，對(duì)接切眼內(nèi)靠近工作面?zhèn)戎е扔谥虚g排支柱，且強(qiáng)度也高于后者。支柱受力可以分為兩個(gè)階段：一階段支柱受力不斷增加，達(dá)到極限強(qiáng)度后支柱破碎變形，其受力快速減?。欢A段巷道頂板繼續(xù)下沉，支柱受力再次增大，壓縮量達(dá)到一定程度的壓縮量后完全破壞，失去承載能力。

圖5 隨工作面推進(jìn)支柱受力曲線

5.2 對(duì)接切眼巷道變形觀測(cè)

在對(duì)接切眼上中下各布置了一組測(cè)點(diǎn)觀測(cè)巷道變形情況，觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 對(duì)接切眼巷道變形曲線

隨工作面推進(jìn)受采動(dòng)影響和超前支承壓力的作用空巷圍巖發(fā)生變形，巷道變形尤以底鼓最為明顯，導(dǎo)致充填支柱傾斜角度較大，承載性能減弱。伴隨工作面的推進(jìn)，工作面距離空巷30m時(shí)圍巖開始發(fā)生變形，對(duì)接切眼中部頂板下沉量、底鼓量都遠(yuǎn)大于兩端頭范圍，圍巖變形主要發(fā)生在距離工作面12m以內(nèi)范圍。上部測(cè)點(diǎn)頂板最大下沉量160mm，中部最大下沉量450mm，下部最大下沉量130mm；上部測(cè)點(diǎn)底鼓量最大430mm，中部測(cè)點(diǎn)底鼓量最大1200mm，上部測(cè)點(diǎn)底鼓量最大370mm。巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明以上巷道變形主要以底鼓最為明顯，空巷兩端變形量較小，空巷中部變形較為劇烈，工作面?zhèn)茸冃我扔诮K采線側(cè)，強(qiáng)度也高于后者。

6 結(jié) 論

1)通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬等手段，確定了充填支柱材料的性能要求。雙液充填支柱材料性能主要表現(xiàn)為快凝、早強(qiáng)、高滲透性、結(jié)石率高等特性，兩種漿液在混合前，6h內(nèi)漿液不凝固、不泌水、不沉淀；兩種漿液混合后，0～5min失去流動(dòng)性，5～15min完全固化，結(jié)石體最終強(qiáng)度能達(dá)到8～15MPa以上。

2)工作面距離空巷20m左右時(shí)，巷內(nèi)支柱開始受力，隨工作面推進(jìn)迅速升高，最大達(dá)到18MPa?？障飪?nèi)靠近工作面?zhèn)戎е扔诮K采線側(cè)支柱受力，且強(qiáng)度也略高于后者。

3)對(duì)接切眼前方30m位置圍巖開始發(fā)生變形，對(duì)接切眼中部頂板下沉量、兩幫收縮量以及底鼓量都遠(yuǎn)大于兩端頭范圍，圍巖變形主要發(fā)生在距離工作面12m以內(nèi)范圍，充填支柱有效控制空巷圍巖變形，確保工作面回采期間能夠安全通過空巷區(qū)域。