2-208 工作面過空巷圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

李曜彤

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦2-208 位于310 水平二采區(qū)軌道巷左側(cè)，為二采區(qū)系統(tǒng)巷道煤柱回收工作面，北面緊鄰二采區(qū)軌道巷、皮帶巷，南面距離二采區(qū)右翼皮帶巷110 m，西面距離二采區(qū)回風(fēng)巷25 m，東面距離2-202 工作面采空區(qū)最小間距為63 m。工作面開采2#煤層，煤層厚度為3.8～4.3 m，平均厚度4.1 m，煤層傾角為2°～6°，平均傾角為4°。煤層頂板巖層為泥巖、砂質(zhì)泥巖和K8 中細(xì)砂巖，底板巖層為泥巖和中砂巖。

2-208 工作面走向長度為175 m，傾斜長度為579.5 m，采用一次采全高采煤方法，采高3.8～4.3 m（平均4.1 m），循環(huán)進(jìn)度為0.8 m，工作面支護(hù)選用ZY9000/24/45 型掩護(hù)式液壓支架。由于2-208 工作為煤柱回收工作面，工作面回采過程中遇到原有大巷聯(lián)絡(luò)巷，聯(lián)絡(luò)巷基本與工作面切眼相平行?，F(xiàn)為保障工作面回采推進(jìn)通過空巷期間的安全，擬采用空巷充填技術(shù)保障空巷圍巖穩(wěn)定。

2 空巷充填支護(hù)參數(shù)分析

現(xiàn)為保障2-208 工作面回采推進(jìn)空巷期間圍巖的穩(wěn)定，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，進(jìn)行空巷充填支護(hù)參數(shù)的分析，具體分析工作面回采時(shí)，工作面與空巷間煤柱的臨界安全寬度及空巷充填體的合理強(qiáng)度。

根據(jù)工作面頂?shù)装鍘r層賦存情況，結(jié)合工作面特征，建立長×寬×高=120 m×120 m×16.8 m的數(shù)值模型。固定模型底板及側(cè)邊的位移，在模型上方施加覆巖的自重載荷，模型采用摩爾庫倫準(zhǔn)則[1]，根據(jù)工作面頂板巖層力學(xué)特征進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的取值。具體以工作面推進(jìn)通過空巷時(shí)進(jìn)行模擬分析，模型建立時(shí)在工作面前方80 m 的位置處設(shè)置空巷，空巷斷面為長×寬=4.2 m×3.2 m。

（1）工作面與空巷間煤柱的臨界安全寬度分析

基于上述數(shù)值模擬模型，設(shè)置工作面回采至距離空巷20 m、15 m、10 m 和7 m 時(shí)，進(jìn)行圍巖塑性區(qū)的分布特征的出圖分析，具體如圖1 所示。

圖1 工作面距空巷不同距離時(shí)圍巖塑性區(qū)發(fā)育特征圖

通過分析圖1 可知，在空巷未進(jìn)行充填時(shí)，隨著空巷與工作面間距離的減小，煤柱塑性區(qū)逐漸發(fā)育，彈性核區(qū)逐漸減小。在煤柱寬度為15 m 時(shí)，此時(shí)煤柱局部出現(xiàn)塑性區(qū)貫通的情況，煤柱大部分區(qū)域未出現(xiàn)塑性破壞，具有一定的承載能力。在煤柱寬度為10 m 時(shí)，工作面與空巷間的煤柱已經(jīng)完全進(jìn)入塑性狀態(tài)，且空巷上方巖層的塑性區(qū)也逐漸發(fā)育，此時(shí)由于工作面與空巷的煤柱寬度已經(jīng)達(dá)到臨界安全寬度，致使煤柱基本喪失了承載能力。在煤柱寬度為5 m 時(shí)，此時(shí)空巷上方及煤柱區(qū)域的塑性區(qū)進(jìn)一步發(fā)育，煤柱處于失穩(wěn)狀態(tài)。

基于數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合上述分析能夠得出，工作面與空巷間臨界的煤柱寬度為10 m，即表明在進(jìn)行充填作業(yè)時(shí)，需在工作面與空巷間的距離大于10 m 前完成。

（2）充填體強(qiáng)度分析

為合理確定充填體寬度，通過采前充填方式模擬空巷充填，設(shè)置充填體強(qiáng)度為2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa 和6 MPa。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出不同充填體強(qiáng)度下工作面回采時(shí)充填體壓縮性量和橫向變形量曲線圖，如圖2 所示。

圖2 充填體變形曲線圖

分析圖2 可知，隨著充填體強(qiáng)度的增大，工作面推進(jìn)通過充填體時(shí)，充填體的壓縮量和橫向變形量均逐漸減小。充填體強(qiáng)度由2 MPa 增至3 MPa時(shí)，充填的壓縮量呈現(xiàn)為急劇下降的趨勢，充填體的橫向變形量也出現(xiàn)明顯的下降；當(dāng)充填體強(qiáng)度由3 MPa 增大為4 MPa 時(shí)，此時(shí)充填體壓縮量及橫向變形量的下降趨勢均逐漸變緩，其中壓縮量下降趨勢變緩較為明顯；充填體強(qiáng)度4 MPa 時(shí)，壓縮量和橫向變形量分別為0.22 m 和0.28 m；當(dāng)充填體強(qiáng)度大于4 MPa 時(shí)，此時(shí)隨著充填體強(qiáng)度的增大，壓縮量的降低量逐漸減小，橫向變形量的降低幅度也逐漸減小。這即表明充填體強(qiáng)度大于4 MPa 時(shí)，強(qiáng)度的增加對(duì)充填變形量的影響較小。

綜合上述分析可知，在充填體強(qiáng)度為4 MPa 時(shí)，充填體的變形量滿足回采使用要求。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 充填方案

（1）充填材料配比

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，要保障2-208 工作面順利通過空巷區(qū)域，需使充填體的強(qiáng)度達(dá)到4 MPa。綜合目前我國現(xiàn)有的充填材料，確定采用高水材料進(jìn)行空巷充填?，F(xiàn)為選取高水材料的合理水灰比，進(jìn)行不同水灰比、不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下高水材料凝固體的強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出凝固體強(qiáng)度曲線，如圖3 所示。

圖3 不同水灰比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間下凝固體強(qiáng)度曲線圖

分析圖3 可知，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同時(shí)，隨著高水材料水灰比的增大，材料凝固體的強(qiáng)度會(huì)逐漸減小。在水灰比為0.5 時(shí)，此時(shí)凝固體在養(yǎng)護(hù)2 h 時(shí)的強(qiáng)度能夠達(dá)到24.2 MPa；當(dāng)水灰比為7.0 時(shí)，此時(shí)凝固體養(yǎng)護(hù)2 h 的強(qiáng)度僅為2.4 MPa。另外從圖中能夠看出，高水材料在相同水灰比下，凝固體的強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長而逐漸增大。

結(jié)合上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，空巷充填體的寬度需達(dá)到4 MPa，故綜合確定高水材料的水灰比為4:1。

（2）充填方法

根據(jù)2-208 工作面內(nèi)空巷的具體特征，確定采用全袋式充填法進(jìn)行充填作業(yè)。在空巷內(nèi)部全部布置充填袋，隨后再在袋內(nèi)充填材料，當(dāng)漿液凝固后，即能夠?qū)ι细矌r層起到支撐作用。本次一次充填寬度為2 m。具體全袋式充填法如圖4 所示。

圖4 全袋式充填法示意圖

3.2 工作面調(diào)斜方案

在工作面推進(jìn)通過空巷區(qū)域時(shí)，將工作面調(diào)斜一定的角度，以充分降低工作面液壓支架所承受的壓力[2-3]。工作面調(diào)斜需要進(jìn)入空巷前完成。工作面調(diào)斜如圖5 所示。

圖5 工作面調(diào)斜示意圖

圖5 中的工作面調(diào)斜角度主要由空巷的寬度和長度決定，具體工作面調(diào)斜角度θ 表達(dá)式為：

式中：b 為空巷的寬度，m；L 為空巷的長度，m。根據(jù)2-208 工作面內(nèi)空巷的賦存情況，空巷的寬度基本在5 m，長度最長為120 m，據(jù)此能夠計(jì)算得出2-208 工作面通過空巷時(shí)的調(diào)斜角度θ=22.6°。

3.2 效果分析

為分析空巷充填效果，在工作面推進(jìn)通過空巷區(qū)域時(shí)進(jìn)行液壓支架壓力的監(jiān)測作業(yè)，ZY9000/24/45 型掩護(hù)式液壓支架額定工作阻力為9000 kN（35.8 MPa）。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果繪制出支架壓力與工作面距空巷距離曲線，如圖6 所示。

圖6 工作面過空巷期間液壓支架曲線圖

分析圖6 可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至距離空巷50 m時(shí)，液壓支架的工作阻力開始逐漸增大，當(dāng)工作面與空巷間的距離小于20 m 時(shí)，支架的工作阻力開始大范圍的增大。液壓支架的最大工作阻力在工作面推進(jìn)至空巷位置時(shí)達(dá)到最大值，為35.4 MPa，與支架額定工作阻力之間仍有1.1%的富裕系數(shù)。且工作面回采過程中，煤壁無片幫現(xiàn)象，支架受力正常，無壓架現(xiàn)象出現(xiàn)。

4 結(jié)論

根據(jù)2-208 工作面及空巷賦存特征，通過數(shù)值模擬確定工作面與空巷間臨界的煤柱寬度為10 m，充填時(shí)充填體的強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到4 MPa?；跀?shù)值模擬結(jié)果，進(jìn)行空巷充填方案的設(shè)計(jì)，設(shè)置工作面調(diào)斜通過空巷區(qū)域，調(diào)斜角度為22.6°。根據(jù)工作推進(jìn)過空巷期間的支架工作曲線可知，空巷區(qū)域圍巖控制效果良好。