馬晉元

（山西晉煤集團(tuán)寺河礦，山西 晉城 048000）

由于過(guò)去在煤炭開采過(guò)程中工作面設(shè)計(jì)不合理、開挖探巷等原因，使得現(xiàn)有工作面在推進(jìn)過(guò)程中遇到大量的空巷[1-2]?？障锬昃檬蓿瑖鷰r承載能力差，尤其在大采高工作面通過(guò)空巷時(shí)，頂板活動(dòng)劇烈，使得空巷頂板下沉、冒落嚴(yán)重，常常會(huì)造成支架倒架和壓架事故，影響工作面安全回采[3]。目前晉煤集團(tuán)寺河礦5301 大采高工作面在推進(jìn)過(guò)程中遇到多條空巷，采用打木垛、煤壁超前注漿加固等支護(hù)方式已不能控制空巷嚴(yán)重變形，威脅工作面安全回采。對(duì)比采用改變工作面布置、加強(qiáng)老巷支護(hù)等傳統(tǒng)方式，充填支柱具備初撐能力大、操作簡(jiǎn)便、泵送能力強(qiáng)以及便于采煤機(jī)回采的特點(diǎn)，能夠適用于空巷來(lái)壓快、來(lái)壓劇烈等支護(hù)需求，從而提高工作面過(guò)空巷的效率和安全性[4-5]。本文以寺河礦大采高工作面過(guò)空巷為工程背景，對(duì)大采高工作面充填支柱支護(hù)空巷技術(shù)展開研究，為相似工程提供參考依據(jù)。

1 工程概況

寺河礦5301 工作面為一次采全高綜采工作面，煤層平均厚度6.0 m，傾角2～8°，工作面傾斜長(zhǎng)度296.3 m，推進(jìn)長(zhǎng)度1 549.5 m。煤層地面標(biāo)高+550～+710 m，煤層底板標(biāo)高+280～+345 m?；卷敒? m 厚的細(xì)粒砂巖，直接頂為3.5 m 厚的粉砂巖，偽頂為0.6 m 厚的炭質(zhì)泥巖。5301 工作面在回采過(guò)程中需要通過(guò)四條空巷，具體空巷位置及工作面布置如圖1 所示。其中，5#和8#橫川空巷平行于工作面傾向，長(zhǎng)度約為40 m；6#橫川空巷與工作面傾向夾角約45°，長(zhǎng)度約49 m；另一條空巷53017巷垂直于工作面傾向，長(zhǎng)度約為194 m。

圖1 空巷位置及工作面布置

2 空巷應(yīng)力演化規(guī)律及支柱參數(shù)設(shè)計(jì)

在大采高工作面推進(jìn)過(guò)程中，由于受超前支承壓力的影響，在空巷與工作面接近區(qū)域應(yīng)力升高，造成空巷圍巖變形、破壞，在工作面過(guò)空巷時(shí)發(fā)生冒頂、煤壁片幫。因此，應(yīng)研究工作面在推進(jìn)過(guò)程中超前支承壓力影響下，空巷的應(yīng)力變化規(guī)律，為空巷充填支柱支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)、支柱時(shí)機(jī)等提供理論依據(jù)。

2.1 空巷應(yīng)力演化規(guī)律

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬工作面在逐漸揭露空巷過(guò)程中超前支承壓力分布影響范圍，得出空巷受工作面推進(jìn)影響下的應(yīng)力分布規(guī)律。數(shù)值模擬得出從距離空巷100 m 處直至到達(dá)空巷位置時(shí)頂板應(yīng)力變化曲線，如圖2 所示。

圖2 頂板應(yīng)力隨工作面推進(jìn)變化曲線

圖3 充填支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

從圖中可以看出，隨著工作面逐漸推進(jìn)，空巷圍巖應(yīng)力逐漸升高。在距離空巷10～20 m 處，頂板應(yīng)力快速增長(zhǎng)，來(lái)壓明顯；在距離空巷5 m 左右時(shí)，空巷頂板應(yīng)力增長(zhǎng)速率有所放緩，達(dá)到峰值并逐漸趨于穩(wěn)定。最大主應(yīng)力為13.38 MPa，Z 方向應(yīng)力為13.72 MPa。由此可以得出，在現(xiàn)有支護(hù)條件下，工作面在過(guò)空巷時(shí)無(wú)法保證回采工作的安全性，應(yīng)采取充填支柱支護(hù)措施控制頂板圍巖變形，保證工作面安全通過(guò)空巷。

2.2 空巷充填支柱參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）充填支柱高度、直徑確定

根據(jù)寺河礦地質(zhì)資料，空巷高度在4.5 m 左右。根據(jù)充填支柱應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將充填支柱的直徑確定為1 m，高度確定為4.5 m，高度可隨空巷頂?shù)装鍡l件做出適當(dāng)調(diào)整。

（2）充填支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保護(hù)充填支柱在不規(guī)則瞬間動(dòng)壓的影響下不破壞，應(yīng)在充填支柱上方設(shè)計(jì)有起接頂、讓壓作用的讓壓接頂層。讓壓接頂層強(qiáng)度應(yīng)低于充填支柱承壓整體強(qiáng)度，在頂板來(lái)壓時(shí)，適當(dāng)釋放頂板壓力，給予頂板活動(dòng)空間，防止充填支柱整體破壞。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及充填支柱尺寸，將讓壓接頂層高度設(shè)計(jì)為200～300 mm。支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。

3 充填支柱材料研發(fā)

工作面回采至空巷時(shí)，采煤機(jī)將空巷支柱與煤體直接回采。因此，為保證回采煤炭質(zhì)量，空巷充填支柱采用無(wú)機(jī)礦粉材料。充填支柱材料主要由硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、石膏以及其他增稠劑、調(diào)凝劑組成。硅酸鹽水泥主要保證充填支柱后期強(qiáng)度形成，硫鋁酸鹽水泥則提供較高的早期強(qiáng)度，在石膏的存在下，為水泥熟料提供快速反應(yīng)條件。材料水灰比可調(diào)，能夠在0.8～2.0:1 范圍內(nèi)調(diào)整，簡(jiǎn)化施工工藝，做到一種材料施工即能滿足充填支柱和讓壓接頂層的性能需求。充填支柱材料不同水灰比條件下抗壓性能見表1。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著水灰比的提高，充填材料的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。根據(jù)現(xiàn)有支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)參考數(shù)值模擬結(jié)果，充填支柱的承載能力應(yīng)不低于17 MPa。因此，為起到節(jié)約施工成本的目的，確定充填支柱的水灰比為1.0:1，其28 d 抗壓強(qiáng)度為18.36 MPa。讓壓接頂層強(qiáng)度應(yīng)低于充填支柱整體強(qiáng)度，但仍要起到支護(hù)頂板的作用，因此讓壓接頂層水灰比確定為1.5:1，其28 d 強(qiáng)度12.53 MPa，在頂板來(lái)壓時(shí)受力變形，提供頂板一定活動(dòng)空間，釋放頂板壓力。

表1 充填支柱材料不同水灰比條件下抗壓強(qiáng)度參數(shù)

4 工程應(yīng)用及效果考察

4.1 充填支柱支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)寺河礦地質(zhì)資料，在三條橫川共計(jì)四條空巷布置充填支柱。

參考寺河礦空巷地質(zhì)條件和充填支柱應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)的支柱高度、直徑，將充填支柱在三條橫川空巷中的布置參數(shù)確定為：沿空巷走向布置兩排支柱，呈“三花”交錯(cuò)布置，每排支柱間距1500 mm，排距1700 mm，距回采側(cè)煤壁500 mm，距另一側(cè)煤壁700 mm；53017 空巷充填支柱按照雙-單-雙布置，在巷道正中間布置一排支柱，在兩側(cè)對(duì)稱布置兩排支柱，兩側(cè)支柱距煤幫750 mm，支柱走向間距均為2500 mm，對(duì)稱兩排支柱間距為1500 mm。上述距離均為支柱邊緣間距離，具體布置如圖4 所示。

圖4 充填支柱布置示意圖

4.2 充填工藝

充填支柱材料為無(wú)機(jī)單液材料，泵送能力強(qiáng)，在施工過(guò)程中采用泵送的方式進(jìn)行充填。按照充填支柱布置方案，在巷道頂板金屬網(wǎng)上懸掛支柱充填袋，同時(shí)利用木條均勻捆扎于充填袋四周，保證充填袋與頂?shù)装宕怪薄Ｖ筮M(jìn)行充填支柱材料預(yù)制漿，漿液通過(guò)注漿泵泵送到充填位置附近，經(jīng)過(guò)三通分別泵送至兩個(gè)支柱充填袋內(nèi)，在一定程度上提高了施工的安全性和可控制性。

4.3 支護(hù)效果考察

在工作面推進(jìn)到空巷附近時(shí)，為了考察充填支柱支護(hù)空巷效果，對(duì)工作面在揭露直至通過(guò)6#橫川空巷期間液壓支架支護(hù)阻力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 過(guò)空巷期間支架工作阻力變化

從圖中可以看出，工作面在接近直至通過(guò)空巷期間，工作面支架工作阻力比較平穩(wěn)，過(guò)空巷期間呈略微下降趨勢(shì)，未出現(xiàn)異常增大現(xiàn)象。這表明空巷頂板得到有效控制，無(wú)頂板斷裂、冒落和壓架現(xiàn)象。工作面過(guò)空巷后，可能改變了工作面來(lái)壓步距，支架工作阻力有所上升，但均低于8000 kN，無(wú)異?，F(xiàn)象。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采煤機(jī)回采至空巷充填支柱時(shí)并未出現(xiàn)來(lái)壓過(guò)大、壓垮支柱的現(xiàn)象，表明支柱參數(shù)設(shè)計(jì)合理，能夠很好地控制空巷頂板變形，保證了工作面安全通過(guò)空巷。

5 結(jié)論

（1）利用數(shù)值模擬軟件研究了工作面接近空巷過(guò)程中空巷頂板應(yīng)力變化規(guī)律，提出利用充填支柱支護(hù)控制空巷頂板支護(hù)技術(shù)措施，并依據(jù)地質(zhì)條件及模擬結(jié)果設(shè)計(jì)了充填支柱參數(shù)及結(jié)構(gòu)。

（2）根據(jù)充填支柱的性能需求，研發(fā)了水灰比可調(diào)范圍大的充填支柱材料，實(shí)現(xiàn)一種材料即可達(dá)到充填支柱和讓壓接頂層的性能需求。材料可泵送能力強(qiáng)，施工工藝操作簡(jiǎn)便。

（3）空巷經(jīng)過(guò)充填支柱支護(hù)后，在工作面通過(guò)空巷期間，支架工作阻力比較平穩(wěn)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)充填支柱破壞現(xiàn)象。表明充填支柱參數(shù)設(shè)計(jì)合理，能夠控制頂板變形，保證工作面安全通過(guò)空巷。