許 謙，吳增明，張旭波

(潞安化工集團 王莊煤礦，山西 長治 046031)

礦井開采后期會出現(xiàn)工作面開采區(qū)域存在殘留空巷的情況，且在多數(shù)礦井中普遍存在，也是該類工作面頂板控制面臨的基本問題。工作面與殘留空巷間的交匯角度、空巷寬度、空巷垮落空間幾何尺寸均是回采過空巷難易程度判斷的主要依據(jù)。我國學(xué)者通過分析綜放工作面過空巷時支架-圍巖穩(wěn)定性控制的技術(shù)難點，在過空巷合理的時空節(jié)點上實施注漿固結(jié)修復(fù)、支架支撐力保障和實施停采等壓等綜合技術(shù)措施，并闡述了相應(yīng)的控制機理，建立了綜放工作面過空巷時基本頂破斷的結(jié)構(gòu)模型，分析得出了過空巷時關(guān)鍵條件下的支架臨界工作阻力。在分析工作面頂板物理模型的基礎(chǔ)上，建立了工作面穩(wěn)定性力學(xué)模型，對頂板穩(wěn)定性和煤柱穩(wěn)定性的關(guān)系進行了深入分析，并通過數(shù)值計算和現(xiàn)場觀測對分析結(jié)果進行了驗證[1]。本文通過對王莊煤礦6212綜放工作面過不同層位空巷時的圍巖變形破壞情況及相應(yīng)的控制技術(shù)進行研究，為實現(xiàn)6212工作面安全高效開采提供理論與實踐基礎(chǔ)。

1 工程概況

王莊煤礦建成投產(chǎn)于1966年12月，核定生產(chǎn)能力達700萬t。6212綜放工作面位于王莊煤礦62采區(qū)，62回風井南180 m，工作面東北為6209、6210已采工作面，西北為實體煤，東南為6208在采工作面，西南接630/3膠帶巷，工作面煤層穩(wěn)定。工作面切眼長215 m，總推進度281.5 m，煤層均厚6.6 m，(煤層傾角為1～4 °)兩巷和切眼均沿煤層底板掘進。巷道的支護形式均采用“錨網(wǎng)梁+錨索”支護，巷道的斷面規(guī)格：6212運巷3.2 m(高)×5.0 m(寬)；6212風巷3.2 m×4.5 m。煤層及上覆巖層物理力學(xué)性質(zhì)及節(jié)理力學(xué)參數(shù)，見表1、表2。6212綜放工作面開采區(qū)域內(nèi)存在9條空巷，并且空巷的層位也存在較大差異性，如圖1所示，實線為頂板空巷，虛線為煤層空巷，實線與虛線相連為穿層空巷。

表1 煤層及上覆巖層物理力學(xué)性質(zhì)

表2 煤層及上覆巖層及節(jié)理力學(xué)參數(shù)

2 綜放工作面過空巷DDA分析

DDA以最小勢能原理建立平衡方程式，求解有限單元類型的網(wǎng)格，可計算單元或塊體大位移和大變形，可以說DDA法兼顧了有限元法與離散元法的優(yōu)點，但又對它們做了更進一步的發(fā)展，而且計算嚴格地遵循經(jīng)典的力學(xué)法則，具有更明確的物理和幾何上的含義?；贒DA數(shù)值模擬軟件，結(jié)合6212工作面的賦存地質(zhì)環(huán)境以及現(xiàn)場實際應(yīng)用情況，構(gòu)建出相應(yīng)的數(shù)值計算模型(模型范圍設(shè)定為：長×高為300 m×200 m)。模擬出6212綜放工作面過空巷時的動態(tài)模擬過程，通過對綜放工作面過不同層位空巷(煤層空巷、頂板空巷、穿層空巷)時巷道頂板的下沉量進行監(jiān)測，得到綜放工作面過不同層位空巷過程中頂板下沉量的演化規(guī)律，見圖2。在此基礎(chǔ)上,對不同層位空巷頂板下沉量進行對比分析。

圖1 6212工作面與空巷位置關(guān)系示意

圖2 不同層位空巷頂板下沉量對比

1) 煤層空巷在煤層開挖之前，其頂板下沉量約為0.37 m，前期隨著開挖長度不斷的增加，空巷圍巖變形量較小，空巷頂板基本不發(fā)生下沉，當工作面開挖至空巷16 m處，空巷頂板處開始出現(xiàn)較小下沉量，工作面距離空巷越近，其頂板下沉量越明顯，當開挖至空巷8 m處，其頂板發(fā)生明顯下沉，下沉量數(shù)值最高達到0.71 m，約為無采動影響時頂板下沉量的1.92倍。

2) 頂板空巷與穿層空巷在煤層開挖之前，其頂板下沉量均為0.39 m，頂板下沉規(guī)律大致和煤層空巷的開挖規(guī)律大致相同，當工作面開挖至16 m處，空巷頂板下沉開始受到采動影響；當工作面鄰近空巷時，其頂板下沉規(guī)律基本相同，當工作面開挖至空巷12 m處，這兩種空巷均出現(xiàn)明顯下沉；當工作面距離空巷4 m處，頂板下沉速率達到最大值，進入過空巷劇烈影響區(qū)，穿層空巷頂板下沉量約為0.79 m，約為無采動時空巷頂板下沉量的2.03倍，頂板空巷頂板下沉量約為0.98 m，約為無采動時空巷頂板下沉量的2.51倍。

3) 當工作面穿過空巷后，針對穿層空巷，其頂板下沉量最大值約為1.63 m。針對煤層空巷，其頂板下沉量最大值為1.81 m。

綜上所述，無論是針對哪種過空巷問題，當工作面開挖至工作面附近時，對其空巷頂板處的下沉量影響均是顯著的，其中頂板空巷的頂板下沉量最為明顯，約為無采動時空巷頂板下沉量的2.51倍。

3 綜放面過空巷圍巖控制

工作面通過空巷之前，必須提前一段時間對空巷進行預(yù)加固，提高空巷圍巖的穩(wěn)定性，以保證工作面過空巷期間采場圍巖能一直保持穩(wěn)定，從而使工作面順利通過空巷[2]?？障锏念A(yù)加固應(yīng)一般在工作面推進到距離空巷50 m以內(nèi)前完成?？紤]到6212工作面日進尺預(yù)計為4.8 m，而超高水材料充填體需要7 d才能達到最終強度的90%以上，如果某段空巷的預(yù)加固采用了超高水材料注漿的方法，則必須在工作面推進到距離空巷85 m以內(nèi)前完成注漿工作。

3.1 空巷加固方案

6212綜放工作面不同層位的空巷由不同的加固方式進行加固，按照現(xiàn)場實施主要方法有：①頂板空巷，主要加固方式為：底板鋪大板、鋪網(wǎng)，再打設(shè)聯(lián)鎖木垛；②煤層空巷，2 m間距打設(shè)木垛；③空巷與工作面巷道交叉口位置，補打錨索桿、架設(shè)工字鋼棚、打設(shè)聯(lián)鎖木垛及高水材料充填。

3.2 高水充填技術(shù)

高水充填材料主要由A、B兩種物料組成。A料主要以鋁土礦、石膏等獨立煉制并復(fù)合超緩凝分散劑構(gòu)成，B料由石膏、石灰與復(fù)合速凝劑構(gòu)成。二者以1∶1比例配合使用，滿足井下充填要求，水體積最高可達97%。超高水材料固結(jié)體體積相應(yīng)變小，凝結(jié)時間可控、易調(diào)，輸送距離基本不受限制。

在6212工作面回采初期會切割原6209風巷，該巷道沿3號煤層底板布置，與工作面方向垂直，與現(xiàn)6212風巷之間僅間隔5 m左右的煤柱。6209風巷和6212風巷都在6212工作面切眼前方53 m左右與斜交6212工作面的62上山軌道巷相交。由于原6209風巷、6212風巷與62上山軌道巷形成的交叉點距離很近，在工作面回采過程中，交叉點附近的較大范圍圍巖一定處于應(yīng)力疊加影響區(qū)范圍內(nèi)，特別是原6209風巷和6212風巷之間的整個窄煤柱受到應(yīng)力疊加影響程度最為嚴重，極易發(fā)生變形和破壞，因此在所有交叉點中，6212工作面回采通過該處的交叉點難度最高。為此，首先在交叉口附近適當位置打密閉墻；其次6212風巷交叉口位置打設(shè)一梁四柱單體支柱工字鋼棚，棚距0.5 m；最后用高水材料充填，現(xiàn)場情況如圖3所示。

圖3 6212風巷與原6209風巷、62上山軌道巷交叉口加固示意

4 結(jié) 語

1) 王莊煤礦6212綜放面開采過程中要過9條不同層位的空巷，為實現(xiàn)該工作面在復(fù)雜條件下安全開采，對6212綜放面過空巷時空巷圍巖的穩(wěn)定性及其控制技術(shù)進行研究。

2) 采用DDA模擬分析了6212綜放面過不同層位(頂板、煤層、穿層)空巷時圍巖變形破壞情況，得到了不同層位空巷頂板下沉量演化曲線，揭示了綜放工作面過不同層位空巷的變形破壞機理。

3) 為實現(xiàn)對不同層位空巷圍巖的有效控制，對綜放工作面過空巷采取了相應(yīng)的加固方法及部分位置采用端頭高水充填技術(shù)?；夭善陂g，揭露空巷未出現(xiàn)片冒事故，取得了良好的控制效果。