充填支柱在大采高工作面過空巷支護(hù)中的應(yīng)用

孫侯明

（晉能控股裝備制造集團(tuán) 長治仙泉煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

0 引 言

早期我國很多地區(qū)淺部小窯開采時(shí)會選擇巷道式采煤，導(dǎo)致煤層中遺留很多空巷。在采煤工作面回采到空巷位置時(shí)，在采動(dòng)影響下有可能造成冒頂、切頂、煤壁片幫等事故，甚至壓倒、壓死支架，對工作面安全高效回采產(chǎn)生較大影響[1-3]。目前針對空巷的治理措施主要為加強(qiáng)支護(hù)、注漿填充等手段，但這些手段都有一定局限性，存在適用條件苛刻、成本控制困難等問題[4]。長治仙泉煤業(yè)15105 工作面內(nèi)存在大量早期老窯采煤形成的空巷，在回采過程中利用打木垛和超前注漿等方案進(jìn)行治理效果不佳。為確保過空巷期間的安全生產(chǎn)，采用充填支柱法進(jìn)行支護(hù)，該方法具有承受荷載大、受力穩(wěn)定、易操作、回采簡便等特點(diǎn)，適合于15105 工作面空巷區(qū)域來壓強(qiáng)度大、來壓迅速的應(yīng)用場景。在采用充填支柱法進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)后，工作面順利通過空巷區(qū)域，確保工作面安全高效回采。

1 概 況

仙泉煤業(yè)15105 工作面位于該礦一采區(qū)中部，北部為一采區(qū)西翼回風(fēng)巷，西部為15018 工作面（未回采）、15101 工作面采空區(qū)和15106 工作面，東部、南部為實(shí)體煤。該工作面采用走向長壁采煤法，綜采采煤工藝，全部垮落法管理頂板，走向長度522 m，傾斜長度175 m，主采15 號煤層，煤層厚度4.1～5.6 m，平均厚度4.88 m，煤層傾角3°～11°，平均6°，普遍含1 層夾矸，煤層結(jié)構(gòu)較簡單。15101 工作面煤層底板標(biāo)高＋781—＋852 m，對應(yīng)地面標(biāo)高＋1 062—＋1 129 m，埋深平均276 m。煤層直接頂板為K2 灰?guī)r，平均厚度7.08 m，質(zhì)地堅(jiān)硬，不易垮落，煤層與直接底板之間局部發(fā)育黃泥層，厚度變化較大，黃泥層發(fā)育位置頂板相對破碎，呈塊狀填充；煤層直接底板為黑灰色泥巖和砂質(zhì)泥巖，結(jié)構(gòu)松軟，易吸水軟化。

15105 工作面回采區(qū)域受到原小河煤礦生產(chǎn)破壞，存在1 塊大面積采空區(qū)，以及多條空巷。這些采空區(qū)和空巷為早期沿頂板掘進(jìn)和回采，與15105工作面上下順槽呈斜交關(guān)系，空巷多數(shù)位置準(zhǔn)確，但空間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，局部展布密集，巷道寬度不一，存在一定積水，對煤層頂板存在較為嚴(yán)重的破壞。15105 工作面上下順槽外側(cè)分別發(fā)育1 條正斷層——F4 斷層（落差15 m） 和F3 斷層（落差3 ～10 m），2 條斷層形成一個(gè)地壘構(gòu)造，斷層周邊次生小斷裂構(gòu)造較發(fā)育，對工作面煤層賦存和頂?shù)装宕嬖谝欢ㄓ绊憽?5105 工作面上下順槽及切眼在掘進(jìn)過程中揭露了數(shù)條空巷和采空區(qū)，普遍出現(xiàn)支護(hù)困難的情況，疊加斷裂構(gòu)造破壞，預(yù)計(jì)在回采過程中由于采動(dòng)破壞和超前支撐應(yīng)力轉(zhuǎn)移，會對空巷產(chǎn)生較大的影響，所以需要對空巷進(jìn)行有效處理，消除安全隱患，同時(shí)，由于該工作面回采過空巷較多，對空巷的處理要綜合考慮成本以及綜采回采難度的問題，兼顧回采效率和經(jīng)濟(jì)性。

2 工作面過空巷方案

2.1 采取措施

由圖1 可知，15101 工作面范圍內(nèi)的空巷多數(shù)呈正交形態(tài)，因此工作面設(shè)計(jì)之初就對巷道布局進(jìn)行優(yōu)化，綜合考慮F4 斷層和F3 斷層發(fā)育情況，設(shè)計(jì)工作面回采方向與空巷斜交，從而控制超前支撐應(yīng)力不會一次作用在大面積薄弱帶上，降低對空巷的采動(dòng)影響。按照前期其他工作面回采過空巷期間經(jīng)驗(yàn)，采用打木垛和煤壁超前預(yù)注漿等措施效果欠佳，因此此次采用充填支柱法對空巷進(jìn)行治理。

圖1 15105 工作面空巷分布與位置關(guān)系Fig.1 Relationship between No.15105 Face and abandoned roadway

2.2 充填支柱技術(shù)

工作面回采過程中原巖應(yīng)力平衡被打破，超前支撐應(yīng)力重新分布，特別對于大采高工作面而言，應(yīng)力集中情況較為明顯。在工作面回采接近空巷的過程中，由于空巷位置本身頂板受到破壞，為薄弱面，礦壓顯現(xiàn)明顯，易發(fā)生漏頂甚至切頂事故。因此對工作面回采過程中空巷區(qū)域超前應(yīng)力分布進(jìn)行研究，能夠?yàn)槌涮钪е鶇?shù)、工程施工節(jié)點(diǎn)等提供依據(jù)。

此次采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對工作面臨近空巷期間超前支撐應(yīng)力情況進(jìn)行計(jì)算，摸清應(yīng)力變化規(guī)律。設(shè)計(jì)在工作面距離空巷100 m 時(shí)至回采至空巷位置階段進(jìn)行數(shù)值模擬，得到推采位置與頂板應(yīng)力關(guān)系數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

圖2 推采位置與頂板應(yīng)力關(guān)系Fig.2 The relationship between mining position and roof stress

由圖2 可知，工作面推采接近空巷期間，空巷位置所受超前支撐應(yīng)力呈逐漸增大趨勢，特別是在回采距離空巷20 m 位置后，支撐應(yīng)力大幅提升，從12.3 MPa 提高至13.7 MPa，在距空巷位置5 m時(shí)支撐應(yīng)力增幅趨緩。由此可知，如果不對空巷進(jìn)行有效支護(hù)，其頂板可能在高應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂造成頂板事故。考慮工作面應(yīng)力情況和空巷實(shí)際，采用充填支柱法對頂板進(jìn)行有效控制，確保過空巷期間安全回采。

2.3 充填支柱設(shè)計(jì)參數(shù)

（1） 充填支柱規(guī)格。根據(jù)仙泉煤業(yè)地質(zhì)資料和原小河煤礦生產(chǎn)資料可知，15105 工作面內(nèi)空巷高約4.0 m。按照以往工程經(jīng)驗(yàn)，本次充填支柱設(shè)計(jì)直徑為1 m，設(shè)計(jì)高度為4.0 m，且高度可以根據(jù)實(shí)際巷高和頂板情況進(jìn)行調(diào)整。

（2） 充填支柱結(jié)構(gòu)。

由圖2 可知，在工作面回采至空巷20 m 處，頂板壓力會突然增大，有可能出現(xiàn)瞬間動(dòng)壓，在壓力過大的情況下會對充填支柱造成嚴(yán)重破壞，使其失去支撐作用。為解決這個(gè)問題，在充填支柱頂端設(shè)計(jì)讓壓層，其下為承壓層，其中讓壓層抗壓強(qiáng)度低于承壓層，在出現(xiàn)瞬間動(dòng)壓的時(shí)候，讓壓層出現(xiàn)破壞，大量吸收頂板動(dòng)壓能量，為頂板提供一定活動(dòng)空間，從而保護(hù)下部承壓層結(jié)構(gòu)不受破壞。充填支柱讓壓層設(shè)計(jì)高度300 mm，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 充填支柱受力結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Force structure diagram of filling pillar

3 充填支柱注漿材料

此次充填支柱采用無機(jī)材料，主要成分為硅酸鹽水泥- 確保支柱后期抗壓強(qiáng)度、硫鋁酸鹽水泥-確保支柱前期抗壓強(qiáng)度、石膏- 提高水泥反應(yīng)速度，以及配套速凝劑、增稠劑等。對不同水灰比的漿液進(jìn)行凝固后抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同水灰比充填材料抗壓強(qiáng)度Table 1 Compressive strength of filling materials with different water cement ratio

由表1 可知，漿液水灰比控制在0.8～2.0∶1時(shí)，不同水灰比材料的抗壓強(qiáng)度不同，因此可以調(diào)整水灰比，利用材料抗壓強(qiáng)度的不同，分別對讓壓層和承壓層進(jìn)行填充。水灰比自0.8∶1～2.5∶1，抗壓強(qiáng)度不斷下降。按照數(shù)值模擬結(jié)果同時(shí)參照以往支護(hù)情況，充填支柱的抗壓強(qiáng)度要求高于17 MPa，對照表格，水灰比1∶1 時(shí)30 d 抗壓強(qiáng)度18.47 MPa，能夠滿足要求。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采動(dòng)最大支撐應(yīng)力為13.7 MPa，為保證讓壓效果，此次選擇讓壓層漿液水灰比為1.5∶1，30 d 后抗壓強(qiáng)度為12.69MPa，既能起到讓壓作用，同時(shí)也能夠保證充足的抗壓能力。

4 充填支柱應(yīng)用和施工效果驗(yàn)證

4.1 充填支柱施工方案

根據(jù)15105 工作面對應(yīng)原小河煤礦生產(chǎn)資料，該工作面內(nèi)存在空巷6 條，需要對其進(jìn)行讓壓支護(hù)設(shè)計(jì)。對空巷地質(zhì)條件進(jìn)行分析，同時(shí)參考以往充填支柱應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)充填支柱高度、直徑及其抗壓強(qiáng)度，設(shè)計(jì)空巷內(nèi)充填支柱布置參數(shù)為：空巷內(nèi)共布置2 排充填支柱，排距1 700 mm、間距2 000 m，距離回采一側(cè)幫距500 mm，距離實(shí)體煤側(cè)幫距800 mm，布置方案如圖4 所示。

圖4 15105 空巷充填支柱布置方案Fig.4 Filling pillar layout scheme for abandoned roadway

4.2 注漿充填工藝

此次采用的注漿材料為無機(jī)單液材料，注漿時(shí)直接泵送即可。按照設(shè)計(jì)將充填袋懸掛在巷道頂板錨桿或鋼筋網(wǎng)上，在頂?shù)装鍖Τ涮畲M(jìn)行固定，確保其與頂?shù)装宕怪?。然后調(diào)配注漿漿液對充填袋進(jìn)行注漿，注漿管路上連接三通閥門，每次可對2 個(gè)充填袋進(jìn)行注漿，達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后關(guān)閉閥門，對下一組充填袋進(jìn)行注漿。

4.3 施工效果驗(yàn)證

為對充填支柱支護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證，在工作面回采接近充填支柱時(shí)，采集液壓支架工作阻力，并繪制工作阻力變化曲線圖，如圖5 所示。

圖5 過空巷期間支架工作阻力變化Fig.5 The change of working resistance during crossing abandoned roadway

由圖5 可知，在13 日～16 日過空巷期間，152、160、168 號支架由于距離空巷位置不同，其工作阻力變化存在一定差異。工作面回采通過空巷期間，支架工作阻力呈現(xiàn)下降趨勢，未出現(xiàn)突然變大情況，說明該區(qū)域頂板應(yīng)力已經(jīng)提前釋放，在回采過程中沒有發(fā)生頂板大規(guī)模斷裂、垮冒?；夭赏ㄟ^空巷后，支架工作阻力回升，但不足7 000 kN，處于正常水平。通過對現(xiàn)場觀測，與以往采用其他方法支護(hù)相比，工作面沒有出現(xiàn)片幫、冒頂和支架壓死現(xiàn)象，說明充填支柱設(shè)計(jì)合理，能夠?qū)γ簩禹敯暹M(jìn)行有效支撐。

5 結(jié) 論

（1） 利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對工作面臨近空巷期間超前支撐應(yīng)力情況進(jìn)行計(jì)算，摸清回采通過空巷的應(yīng)力變化規(guī)律，能夠?yàn)槌涮钪е鶇?shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2） 采用相同的注漿材料，通過調(diào)整漿液配比的方法獲得不同抗壓強(qiáng)度的充填支柱結(jié)構(gòu)，能夠在保證支撐應(yīng)力的情況下確保充填支柱不會被瞬間動(dòng)壓破壞，提高了充填支柱的有效性。

（3） 在對空巷采取充填支柱措施后，工作面回采通過空巷時(shí)，支架阻力未出現(xiàn)突然上升的情況，現(xiàn)場也未發(fā)生大規(guī)模片幫、冒頂和支架壓死現(xiàn)象，說明充填支柱法能夠?qū)障镞M(jìn)行有效支護(hù)。