綜采工作面過空巷高水速凝材料充填技術(shù)應(yīng)用

蘇 偉

（霍州煤電集團(tuán)晉北煤業(yè)有限公司，山西 忻州 035100）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)晉北煤業(yè)公司現(xiàn)開采5上#煤，該煤層穩(wěn)定，煤層厚度平均為2.82 m，結(jié)構(gòu)為：1.63（0.47）0.72。煤層整體呈一復(fù)式背斜構(gòu)造，S1背斜軸向?yàn)?46°，S2 向斜軸向?yàn)?67°，S3 背斜軸向?yàn)?74°，S4 向斜軸向?yàn)?7°，煤巖層傾角為1°～5°，平均3°。5-103工作面地質(zhì)構(gòu)造情況復(fù)雜，進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、內(nèi)錯(cuò)尾巷及開切眼巷道掘進(jìn)期間共揭露32 條斷層、1 個(gè)陷落柱及4 個(gè)褶曲構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造對工作面回采影響較大。

5-103 工作面走向長度220 m，傾向長壁一次性采全高的采煤方法。5-103 工作面范圍內(nèi)有三條空巷，空巷受到工作面回采動(dòng)壓影響，圍巖易發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞，將影響綜采工作面的推進(jìn)效率和安全性，需對空巷采取適當(dāng)加固措施。5-103 工作面空巷分布如圖1。

圖1 5-103 工作面空巷分布平面圖

以尾巷下料巷為例，掘巷毛斷面寬、高為3.8 m、2.8 m，其原有支護(hù)方式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，空巷總長度為219 m。原支護(hù)詳情：頂錨桿直徑20 mm、長度2400 mm，間排距800 mm；幫錨桿直徑18 mm、長度2000 mm，間排距800 mm；錨索直徑17.8 mm、長度6300 mm，排距2400 mm，每排兩根，間距1600 mm。緊貼頂幫鋪設(shè)一層菱形網(wǎng)，網(wǎng)與網(wǎng)間用聯(lián)網(wǎng)絲（16#鉛絲制作）聯(lián)接，每隔120 mm 聯(lián)一道，搭接長度為100 mm。

2 采動(dòng)影響空巷圍巖破壞特征

為論證5-103 工作面過空巷期間采取相關(guān)加固措施的必要性，以綜采工作面過尾巷下料巷為例，運(yùn)用UDEC 計(jì)算機(jī)模擬分析軟件建立模型，進(jìn)行工作面過空巷過程的仿真模擬。模型長、高=300 m、60 m，空巷尺寸寬、高=3.8 m、2.8 m，模擬計(jì)算中的煤巖體塊采用Mohr-Coulomb 模型[1]，模型頂部埋深取100 m，等效載荷2.5 MPa，工作面采高3.0 m，每次開挖長度1.0 m，空巷位于距模型右側(cè)邊界60 m 處，工作面由距模型左側(cè)邊界80 m 首次開挖。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果整理得到圍巖典型的破壞特征如圖2。

圖2 三維數(shù)值模型

工作面與空巷距離小于15 m 后，頂板巖層破壞范圍及超前工作面距離明顯增大，直接頂巖層破碎更為嚴(yán)重，煤壁塑性破壞深度較大，片幫風(fēng)險(xiǎn)增大；當(dāng)工作面與空巷距離為10 m 時(shí)，工作面與空巷間實(shí)體煤壁全部出現(xiàn)塑性破壞，煤壁對于覆巖的支撐能力下降，工作面頂板下沉量、煤壁內(nèi)移量均顯著增大；隨著綜采工作面與空巷間距離的減小，空巷圍巖塑性破壞深度和面積逐漸增大，表面變形量也同步增大，空巷圍巖極有可能發(fā)生大面積垮塌，致使工作面無法繼續(xù)向前推進(jìn)。在數(shù)值模擬計(jì)算模型中的回采工作面布置測線，監(jiān)測此處液壓支架的受力，整理得到表1 所示的模擬結(jié)果。5-103 工作面液壓支架型號(hào)為ZY12000/30/68D 型，額定工作阻力37.3 MPa。隨著工作面與空巷間距離由20 m逐漸減小至10 m，液壓支架載荷逐漸增大，推進(jìn)至距空巷10 m 左右時(shí)，液壓支架載荷基本開始接近甚至超出支架的額定工作阻力。由此說明，工作面過空巷期間，隨著與空巷距離的減小，工作面發(fā)生壓架、端面冒頂?shù)母怕曙@著增大，影響工作面的安全高效生產(chǎn)，空巷圍巖也將失穩(wěn)冒落，導(dǎo)致工作面無法通過空巷區(qū)域，因此必須采取可靠的加固措施，既能防止空巷圍巖失穩(wěn)又能保證工作面載荷不會(huì)過大。

表1 工作面推進(jìn)至空巷附近時(shí)液壓支架受力模擬結(jié)果

3 綜采工作面過空巷高水材料充填技術(shù)

晉神能源沙坪煤礦18201 工作面通過采用木垛支護(hù)方式順利通過高×寬為2.5 m×6 m 矩形空巷；西山煤礦總公司馬蘭礦10316 工作面采用施工錨索、錨桿配合點(diǎn)柱施工的方式，工作面順利通過空巷；靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán)紅會(huì)四礦4701 綜放工作面采用架設(shè)木垛再充填礦渣的方式順利通過空巷區(qū)域。總結(jié)分析其應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明[2-4]，采用木垛、錨網(wǎng)索等補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案對空巷圍巖控制效果良好，但是無法有效抑制工作面頂板的破碎及液壓支架載荷的增大，工作面仍存在較大的壓架、冒頂風(fēng)險(xiǎn)；通過木垛+充填礦渣的手段對工作面維護(hù)效果良好，但是施工工序繁瑣、工期長。據(jù)此提出采用高水材料進(jìn)行空巷充填支護(hù)的技術(shù)工藝。考慮到5-103 綜采工作面過空巷的施工條件，設(shè)計(jì)充填體的長度為8 m，充填段起止兩側(cè)需打設(shè)止?jié){墻，墻厚度約為0.5 m，充填體寬度和高度與空巷斷面相同，充填高水材料水灰比為2.25:1。充填段及充填管路布置詳情如圖3。

圖3 高水材料充填技術(shù)示意圖

4 應(yīng)用效果綜合評價(jià)

4.1 液壓支架載荷變化

5-103 工作面回采期間采用YHY-604 液壓支架測力儀監(jiān)測支架受力情況，以工作面中部的61#～63#支架載荷數(shù)據(jù)平均值為例，繪制得到工作面過空巷期間支架載荷的變化曲線如圖4。與空巷距離大于20 m 時(shí)，支架載荷穩(wěn)定在29.4～29.6 MPa；與空巷距離為20 m～-20 m 期間，液壓支架載荷變化曲線呈單峰變化規(guī)律，最大峰值為30.5 MPa，增大幅度僅為4.1%，最大載荷遠(yuǎn)小于液壓支架的額定載荷；工作面推過空巷區(qū)域后，支架載荷繼續(xù)穩(wěn)定在29.4～29.5 MPa。由此說明，工作面過空巷期間，支架載荷未出現(xiàn)過度的增大，高水材料充填加固效果良好，能夠保障工作面快速地通過空巷區(qū)域。

圖4 過空巷期間液壓支架載荷

4.2 空巷維護(hù)情況

工作面接近空巷時(shí)，煤壁較為破碎，局部出現(xiàn)輕微的剝落，但未出現(xiàn)大面積片幫現(xiàn)象，高水材料充填體對空巷圍巖控制效果良好，空巷斷面縮減不明顯。工作面揭露空巷時(shí)，充填體完整性良好，未出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，采煤機(jī)切割充填體順利，頂板未出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，充填體表現(xiàn)出的塑性變形、讓壓性能，有效保障了工作面安全快速通過空巷區(qū)域。

5 結(jié)論

晉北煤業(yè)5上#煤層一采區(qū)采用單翼布置方式后，工作面需通過平行空巷。通過UDEC 軟件模擬研究表明，不采取任何加固措施條件下，過空巷期間綜采工作面壓架、端頭冒頂危險(xiǎn)性顯著增大，煤壁破碎嚴(yán)重易片幫，空巷失穩(wěn)變形嚴(yán)重，導(dǎo)致工作面無法通過空巷區(qū)域?？偨Y(jié)類似地質(zhì)條件下過空巷的實(shí)踐案例，設(shè)計(jì)采用高水速凝材料充填技術(shù)進(jìn)行空巷的加固，設(shè)計(jì)具體的施工工藝及方案。工程實(shí)踐過空巷階段，液壓支架載荷增幅僅為4.1%，工作面未出現(xiàn)壓架、冒頂、片幫等事故，空巷維護(hù)效果良好，實(shí)現(xiàn)了工作面安全高效通過空巷區(qū)域，可在類似條件下推廣使用。