三巷布置一側(cè)回采煤柱空巷壓垮機(jī)理及對(duì)策

撖書(shū)一，楊雙鎖，白云龍，馬晉民，石晉松，韓俊效，成凌宇

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原030024；2.山西華潤(rùn)大寧能源有限公司，山西 晉城048100）

更改綜采（放）工作面設(shè)計(jì)或回收煤柱時(shí)，工作面中會(huì)存在大量空巷，受采動(dòng)擾動(dòng)、維護(hù)情況等影響，當(dāng)工作面通過(guò)空巷時(shí)，易發(fā)生大范圍切冒、壓架等制約安全生產(chǎn)的嚴(yán)重事故[1-2]。在工作面過(guò)空巷方面，諸多學(xué)者、專(zhuān)家做出了研究與總結(jié)。柏建彪、侯朝炯[3]、張自政[4]通過(guò)空巷圍巖觀測(cè)分析，建立過(guò)空巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型并對(duì)頂板穩(wěn)定性做了相關(guān)計(jì)算，指出空巷上方基本頂易發(fā)生回轉(zhuǎn)、滑落失穩(wěn)；劉暢[5-7]進(jìn)行了復(fù)采過(guò)空巷的一系列相似模擬實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)出煤柱寬度、基本頂懸頂長(zhǎng)度、空巷寬度為過(guò)空巷影響基本頂超前破斷的主要因素；李鵬[8]對(duì)復(fù)采過(guò)空巷液壓支架進(jìn)行的受力分析表明長(zhǎng)關(guān)鍵塊易使支架富裕系數(shù)不足；楊榮明[9]研究指出不同支護(hù)方式下頂板破斷形式及位置不同；徐青云[10]、周海豐[11]利用數(shù)值模擬研究了空巷充填相關(guān)參數(shù)；張國(guó)恩[12]對(duì)回收采區(qū)煤柱過(guò)空巷泵送支柱支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了參數(shù)分析和實(shí)踐；周海豐[13]、杜科科[14-16]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析指出空巷實(shí)際支護(hù)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度導(dǎo)致空巷切頂，并采用“等壓”措施有效控制了切頂事故；宋斌[17]進(jìn)行了類(lèi)似煤柱回收工藝實(shí)踐；高士崗[18]、郭東杰[19]、孫曉明[20]等提供了過(guò)空巷綜合治理技術(shù)。

目前研究及實(shí)踐大多針對(duì)于殘煤復(fù)采、回收采區(qū)煤柱或工作面中部存在空巷的情形，對(duì)于多巷布置工作面煤柱回收的研究和實(shí)踐較少。為此，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了工作面過(guò)空巷時(shí)支架工作阻力分布及圍巖變形規(guī)律，結(jié)合“長(zhǎng)關(guān)鍵塊”力學(xué)模型研究了大寧煤礦202 工作面空巷壓垮機(jī)理及圍巖控制技術(shù)，為類(lèi)似開(kāi)采條件下工作面順利通過(guò)空巷及多巷布置工作面煤柱回收工作提供理論參考和技術(shù)借鑒。

1 工程概況

大寧煤礦為高瓦斯突出礦井，為保證通風(fēng)和瓦斯排放，回采工作面采用三巷布置方式。待工作面回采結(jié)束后，采空區(qū)一側(cè)留下兩條寬煤柱。為提高資源采出率，試行在202 工作面采用擴(kuò)面跨巷回采一側(cè)煤柱的方式（簡(jiǎn)稱(chēng)跨采煤柱）進(jìn)行回采。

202 工作面東側(cè)為201 工作面采空區(qū)，西側(cè)為203 接替面。202 跨采煤柱工作面為規(guī)則矩形，東西傾向長(zhǎng)269.6 m（含跨采29.5 m 寬煤柱），南北走向826 m。202 工作面開(kāi)采3#煤層，煤層傾角1°～8°，埋深252～434 m，平均厚度4.26 m，后退式綜合機(jī)械化一次采全高，全部垮落法管理頂板。跨采煤柱工作面回采過(guò)程中需要通過(guò)包括2203 垂直空巷及2203巷與2202 巷之間8 條設(shè)計(jì)寬6 m、高4 m 的平行聯(lián)絡(luò)空巷。因各空巷均在201 工作面回采結(jié)束后產(chǎn)生一定程度破壞變形，故在202 工作面回采前進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。202 跨采煤柱工作面布置圖如圖1，煤層頂板巖性見(jiàn)表1。

2 過(guò)空巷現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 礦壓顯現(xiàn)特征

202 工作面共布置15 個(gè)綜采液壓支架壓力監(jiān)測(cè)儀，對(duì)工作面生產(chǎn)期間進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)分析。主要針對(duì)跨采煤柱段范圍內(nèi)，131#、138#、145#、151#、158#支架的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析說(shuō)明。液壓支架布置圖如圖2。

圖1 202 跨采煤柱工作面布置Fig.1 Layout of 202 working face

表1 煤層頂板巖性Table 1 Lithology of coal seam roof

圖2 液壓支架布置圖Fig.2 Layout of hydraulic support

對(duì)初采期間液壓支架壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到基本頂初次來(lái)壓步距為45 m，周期來(lái)壓步距為12～14 m，符合理論公式計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)。工作面初采總體正常，但過(guò)12 聯(lián)絡(luò)巷期間，出現(xiàn)了異常來(lái)壓，過(guò)12 聯(lián)絡(luò)巷145#支架壓力實(shí)測(cè)如圖3。

從圖3 可以看出，工作面推進(jìn)至距12 聯(lián)絡(luò)巷3.5～5 m 時(shí)，工作面來(lái)壓，并總體上持續(xù)到工作面完全推過(guò)12 聯(lián)絡(luò)巷，來(lái)壓步距21～23 m，是正常一次周期來(lái)壓步距的1.6 倍；壓力持續(xù)步距14～15 m，是正常周期來(lái)壓壓力持續(xù)步距的2 倍。工作面來(lái)壓期間，支架壓力長(zhǎng)時(shí)間處于40 MPa 左右的高水平，壓力峰值遠(yuǎn)高于支架立柱額定工作壓力35 MPa，安全閥頻繁開(kāi)啟，立柱下縮量大。

圖3 過(guò)12 聯(lián)絡(luò)巷145#支架壓力實(shí)測(cè)Fig.3 Actual measurement of 145# support pressure

2.2 巷道收斂變形特征

跨采煤柱兩側(cè)巷道及聯(lián)絡(luò)空巷內(nèi)均密集布置有間距10 m 的十字測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行高頻次巷道斷面變形監(jiān)測(cè)。十字測(cè)點(diǎn)布置如圖4。

圖4 十字測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Layout of“cross point”measuring points

用2203 巷靠近12 聯(lián)絡(luò)巷正幫處測(cè)點(diǎn)、12 聯(lián)絡(luò)巷東側(cè)測(cè)點(diǎn)，來(lái)反映巷道斷面收斂情況，跨采煤柱段巷道斷面監(jiān)測(cè)如圖5。工作面過(guò)12 平行聯(lián)絡(luò)空巷期間，煤柱兩側(cè)巷道2202 巷、2203 巷斷面收縮加快，并伴有巖爆聲；12 聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)底板底鼓迅速，頂板下沉加速?？障锔睅停ㄅc工作面反向）片幫嚴(yán)重，空巷正幫相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)工作面推進(jìn)至距12 聯(lián)絡(luò)巷3.5 m時(shí)，聯(lián)絡(luò)巷斷面收斂速度急劇加快，并發(fā)生切冒。待工作面與空巷貫通時(shí)，空巷斷面已經(jīng)基本閉合，無(wú)法正常推進(jìn)。

3 空巷切頂壓垮機(jī)理

3.1 過(guò)空巷基本頂超前破斷

圖5 跨采煤柱段巷道斷面監(jiān)測(cè)Fig.5 Roadway section monitoring

工作面前方存在空巷，受超前支承壓力及上一工作面回采的影響，當(dāng)工作面推進(jìn)至空巷較近距離時(shí)，工作面與空巷之間的煤柱會(huì)變得十分破碎，塑性破壞發(fā)育明顯，煤柱對(duì)頂板的支承能力大大減弱，無(wú)法有效支撐頂板，原先由煤柱承擔(dān)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至空巷上方基本頂上。當(dāng)工作面距空巷還有一定距離且基本頂達(dá)到極限跨度，但因煤壁破碎，無(wú)法給工作面煤壁位置的基本頂破斷提供足夠切頂力時(shí)，基本頂則會(huì)跨過(guò)破碎煤柱及空巷，在空巷正幫這一固支端上方發(fā)生超前破斷。基本頂?shù)某捌茢?，同時(shí)也會(huì)致使其上覆不穩(wěn)定巖層，由先前的滯后斷裂垮落轉(zhuǎn)變?yōu)樘崆盎蛲綌嗔芽迓?，作為加載層作用于基本頂上，成為基本頂?shù)募虞d載荷。過(guò)空巷基本頂超前破斷生成長(zhǎng)關(guān)鍵塊B 如圖6。

圖6 基本頂超前破斷生成長(zhǎng)關(guān)鍵塊BFig.6 Fracture advanced of basic roof and form long key block B

按上述分析，此時(shí)長(zhǎng)關(guān)鍵塊B 尺寸Lc可按式（1）計(jì)算確定：

式中：x1為空巷跨度；x2為煤柱極限失穩(wěn)寬度；Lx為正常周期來(lái)壓步距。

3.2 過(guò)空巷長(zhǎng)關(guān)鍵塊B 穩(wěn)定性分析

基本頂超前破斷所形成的長(zhǎng)關(guān)鍵塊B 難以保持自身穩(wěn)定，極易發(fā)生滑落失穩(wěn)和回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，長(zhǎng)關(guān)鍵塊B 的失穩(wěn)將對(duì)工作面帶來(lái)劇烈的礦壓顯現(xiàn)和圍巖變形，甚至造成空巷切頂、壓垮等嚴(yán)重事故。

對(duì)空巷范圍內(nèi)關(guān)鍵塊A、B、C 進(jìn)行分析，巖塊B是工作面能否安全通過(guò)空巷的關(guān)鍵。針對(duì)空巷圍巖力學(xué)特征，對(duì)覆巖做以下簡(jiǎn)化：A、B、C 形成鉸接結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)關(guān)鍵塊B 受力分析如圖7。圖中，θ1、θ2為關(guān)鍵塊B、C 的回轉(zhuǎn)角；QA、QB、TA、TB分別為兩端剪力、水平力；R1為煤柱、直接頂對(duì)巖塊B 的支承力；R2為后方矸石對(duì)巖塊C 的支承力；p1、p2為關(guān)鍵塊B、C 自重及載荷；a 為關(guān)鍵塊間擠壓接觸面長(zhǎng)度；h 為關(guān)鍵塊厚度；L1、L2為關(guān)鍵塊B、C 長(zhǎng)度；x3為工作面最大控頂寬度。為簡(jiǎn)化計(jì)算，取4sinθ2≈sinθ1；cosθ2≈1，p2=R2。

圖7 長(zhǎng)關(guān)鍵塊B 受力分析Fig.7 Stress analysis of long key block B

依圖7 對(duì)關(guān)鍵塊B 受力分析，列平衡方程：

聯(lián)立式（2）和式（3）得：

根據(jù)礦山壓力與控制理論可知，防止關(guān)鍵塊B與關(guān)鍵塊A 之間發(fā)生滑落失穩(wěn)的條件為：

式中：φ 為基本頂巖塊內(nèi)摩擦角。

防止關(guān)鍵塊B 發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的條件為：

式中：η 為因巖塊在轉(zhuǎn)角處特殊受力而取的系數(shù)，取1.2；σc為基本頂巖體抗壓強(qiáng)度。

將式（4）、式（5）代入式（6）得：

式中：△為關(guān)鍵塊B 回轉(zhuǎn)下沉量；M 為3#煤平均采高；Σh 為直接頂厚度；q 為關(guān)鍵塊B 自重荷載；KP為碎脹系數(shù)；b 為支架寬度；ρf為基本頂上覆不穩(wěn)定巖層作為加載層的密度；hf為基本頂上覆不穩(wěn)定巖層作為加載層的厚度。

對(duì)關(guān)鍵塊B 及下部直接頂進(jìn)行力學(xué)分析，理想情況下，假定F1作用于x1/2 處，F(xiàn)2作用于x3/3 處。依據(jù)力學(xué)平衡條件：彎矩和ΣM0=0，垂直方向合力ΣFy=0，解得：

式中：Q 為單架寬度上的載荷；Qz為單架寬度直接頂載荷；F1為單架寬度空巷頂板所需支護(hù)力；F2為工作面單架支架所需工作阻力；ρz為直接頂密度。

代入相關(guān)參數(shù)：工作面最大控頂寬度x3=5.5 m，煤柱失穩(wěn)寬度x2=3.5 m，空巷寬度x1=5.5 m；支架寬度1.75 m；基本頂厚度h=5.7 m，基本頂上覆不穩(wěn)定巖層厚度hf=13 m，直接頂厚度Σh=11 m；內(nèi)摩擦角φ=37°；碎脹系數(shù)KP=1.35；煤層平均厚度M=4.26 m；基本頂上覆不穩(wěn)定巖層密度ρf=2.4 t/m3，基本頂密度ρ=2.8 t/m3，直接頂密度ρz=2.6 t/m3。算得的關(guān)鍵塊B 自重載荷q=0.16 MPa，基本頂上覆不穩(wěn)定加載層載荷為ρfg/hf=0.27 MPa。

通過(guò)計(jì)算可得，空巷內(nèi)單架寬度所需支護(hù)阻力為4 853 kN/架寬（靜壓），乘以實(shí)測(cè)動(dòng)壓系數(shù)1.6 后得到修正的空巷所需支護(hù)阻力為7 764 kN/架寬（動(dòng)壓），折合所需支護(hù)強(qiáng)度為0.8 MPa，現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)打錨索及搭設(shè)木垛的理論設(shè)計(jì)支護(hù)力不足0.4 MPa，空巷內(nèi)支護(hù)阻力相差甚遠(yuǎn)，關(guān)鍵塊B 發(fā)生滑落失穩(wěn)，從而導(dǎo)致工作面來(lái)壓異常劇烈，空巷直接頂大面積切頂，空巷最終壓垮。

同時(shí)算得過(guò)空巷時(shí)工作面所需工作阻力超過(guò)18 000 kN，工作面支架工作額定阻力9 000 kN 遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到控制關(guān)鍵塊B 穩(wěn)定的要求，長(zhǎng)關(guān)鍵塊B 發(fā)生失穩(wěn)后加速下沉，支架安全閥開(kāi)啟，立柱下縮量大幅增大。

4 工程實(shí)踐

4.1 空巷充填方案設(shè)計(jì)及施工

在前文所做空巷切頂壓垮機(jī)理分析基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道大變形導(dǎo)致錨桿支護(hù)等補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)多數(shù)失效，且后續(xù)空巷分布基本與12 聯(lián)絡(luò)巷相同的情況下，為避免之后過(guò)空巷出現(xiàn)類(lèi)似情況，提出采取整巷高水充填處理空巷方案，以保證后續(xù)回采工作中能安全快速通過(guò)多條平行空巷。具體充填方案設(shè)計(jì)及施工如下：

1）充填設(shè)備。利用現(xiàn)202 工作面沿空留巷充填泵站內(nèi)注漿泵及注漿機(jī)。泵站與跨采煤柱段各聯(lián)絡(luò)空巷之間通過(guò)兩趟高壓膠管輸送高水充填材料，沿2202、2203 巷布置。

2）充填工序。①在02、04、06、08、10、11 聯(lián)絡(luò)巷距2202 西幫、2203 東幫2～3 m 處（具體位置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)調(diào)整）構(gòu)筑木板墻，并用戧柱戧牢，砌筑后用矸石、炭塊將底板鋪平；②墻體外側(cè)進(jìn)行噴漿封閉作業(yè)，根據(jù)實(shí)際情況，噴漿厚度100～200 mm；③在墻體上部預(yù)留注漿孔，從高處向低處注漿，保證充填接頂，減少頂板下沉量。

3）充填系統(tǒng)及材料配比。充填系統(tǒng)與沿空留巷充填系統(tǒng)一致，攪拌桶分別攪拌甲料漿、乙料漿，雙液充填泵分別對(duì)兩種漿液加壓，雙趟高壓管路輸送漿液。經(jīng)綜合考慮，取1.25～1.5 倍安全系數(shù)，確定充填體支護(hù)強(qiáng)度1～1.2 MPa，水灰比為6∶1?？障锍涮罘桨甘疽鈭D如圖8。

圖8 空巷充填方案示意Fig.8 Schematic of filling scheme of abandoned roadway

4.2 回采巷道維護(hù)方案

過(guò)空巷期間，受超前采動(dòng)壓力影響，跨采煤柱兩側(cè)巷道也出現(xiàn)不同程度的底鼓、冒頂，對(duì)2202 巷、2203 巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案如下：

1）支設(shè)木垛。在2202、2203 巷超前工作面機(jī)尾50 m 范圍，巷道中部施工1 列連體木垛，木垛間距1 000 mm，并隨202 采面推進(jìn)及時(shí)支設(shè)。對(duì)2202 巷西幫片幫超寬處支設(shè)木垛，木垛間距3 000 mm，要求木垛緊貼西幫。木垛采用200 mm×200 mm×1 300 mm 道木或半圓木支設(shè)，并在道木每層間墊1～2 塊紅磚，增加木垛支承能力。

2）注漿。對(duì)2202 巷道頂板進(jìn)行注漿，注漿孔布置方式為“二三”布置，巷道注漿孔布置剖面示意圖如圖9，注漿孔間距2 m，排距2 m。1 排施工3 個(gè)注漿孔時(shí)，中間孔垂直于頂板，兩側(cè)孔分別向兩側(cè)偏20°；1 排施工2 個(gè)注漿孔時(shí)，注漿孔分別向兩側(cè)偏30°。對(duì)2202 巷道西幫、2203 巷道兩幫注漿加固，注漿孔施工2 排,布置方式如圖9（c）和圖9（d），間距1 m，排距2 m。第1 排孔布置于頂板下1 m 處，注漿孔與頂板垂直線夾角為20°；第2 排孔布置在第1排孔下1 m 處，注漿孔與頂板垂直線夾角為45°。注漿孔徑φ28 mm，孔深6 m，下管4 m。實(shí)際施工中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、注漿量及跑漏漿情況，對(duì)注漿孔覆蓋范圍、開(kāi)孔位置、密度、深度、角度、及下管深度進(jìn)行調(diào)整。

圖9 巷道注漿孔布置剖面示意圖Fig.9 Layout of grouting holes in roadway

4.3 現(xiàn)場(chǎng)效果

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果顯示，202 跨采煤柱工作面在采取空巷充填等一系列處理措施后，后續(xù)過(guò)空巷期間未發(fā)生切頂、高冒等頂板事故，底鼓得到大幅度緩解，未出現(xiàn)異常來(lái)壓、超長(zhǎng)距離來(lái)壓等現(xiàn)象，巷道錨桿（索）失效率降低至20%以下，工作面安全性得到本質(zhì)改善，整體上有效解決了202 跨采工作面過(guò)空巷的相關(guān)技術(shù)難題。后續(xù)過(guò)11#聯(lián)絡(luò)巷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果如圖10。

圖10 過(guò)11#聯(lián)絡(luò)巷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果Fig.10 Field practice effect

5 結(jié) 論

1）現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)：跨采煤柱工作面過(guò)大斷面空巷時(shí)，超前擾動(dòng)范圍大幅增大，巷道斷面收斂加大加快，空巷容易發(fā)生切頂、壓跨等嚴(yán)重事故。

2）理論研究表明：跨采煤柱工作面過(guò)大斷面空巷時(shí)，受限于空巷布置形式，工作面過(guò)空巷時(shí)，基本頂在空巷正幫上方易發(fā)生超前破斷，生成長(zhǎng)關(guān)鍵塊B，改變覆巖原有破斷垮落機(jī)制，致使工作面異常來(lái)壓；此種工況下，對(duì)工作面支架阻力及空巷支護(hù)阻力要求大幅提升，傳統(tǒng)錨桿（索）補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及木垛難以達(dá)到支護(hù)要求。

3）在“長(zhǎng)關(guān)鍵塊B”力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果下，確定以空巷整巷高水充填為主，并對(duì)回采巷道做注漿加固等輔助措施為處理方案。實(shí)踐證明：經(jīng)過(guò)針對(duì)性治理后，工作面后續(xù)回采中，未發(fā)生切頂、大面積冒頂、嚴(yán)重片幫、壓架等重大事故，整體上有效解決了跨采煤柱工作面過(guò)空巷過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題，并為今后類(lèi)似條件下回采工作及煤柱回收過(guò)空巷提供了經(jīng)驗(yàn)參考。