蔡俊林，杜鵬榮，高繼耀，翟黎偉

(1.大陽(yáng)泉煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000；2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

隨著礦井服務(wù)時(shí)間的延長(zhǎng)，山西許多煤礦已經(jīng)進(jìn)入了資源枯竭期[1-2]。為延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，提高資源回收率，回收井田保護(hù)煤柱勢(shì)在必行[3-4]。但回收煤柱面臨著水[5]、火[6]、瓦斯[7]和空巷[8-10]等諸多問(wèn)題，對(duì)煤柱安全回收造成較大的影響，綜采工作面過(guò)空巷是煤礦開采過(guò)程中遇到的技術(shù)難題之一。傳統(tǒng)的工作面過(guò)空巷的方法有以下幾種：①用密集支柱或木垛支護(hù)空巷，但其承載能力低，穩(wěn)定性較差，受側(cè)向力的作用容易傾倒，不能對(duì)兩幫提供支護(hù)；②錨桿，錨索支護(hù)，但空巷圍巖已成塑形狀態(tài)或破裂，加固后難以承受超前支承壓力的作用；③以空巷為切眼重新布置工作面，但搬家倒面費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

為此，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)過(guò)空巷進(jìn)行了研究，柏建彪等[11]通過(guò)對(duì)工作面前方空巷圍巖活動(dòng)規(guī)律分析，建立了空巷頂板穩(wěn)定性的力學(xué)模型，并采用高水速凝材料充填空巷。王衛(wèi)軍等[12]進(jìn)一步驗(yàn)證了綜放工作面過(guò)空巷時(shí)采用高水速凝材料充填空巷的可行性。張自政等[13]分析了空巷頂板穩(wěn)定性與空巷充填體相互作用的關(guān)系，得到空巷頂板穩(wěn)定的充填體支護(hù)阻力計(jì)算式，通過(guò)應(yīng)用表明高水材料充填空巷的有效性。郭金剛[14]通過(guò)研究表明，高水速凝材料具有較大的支護(hù)阻和良好的塑性變形特點(diǎn)，可有效支護(hù)頂板和兩幫，并保證充填體完整。徐青云等[15]對(duì)不同充填體強(qiáng)度下空巷圍巖應(yīng)力，巷道變形分析，確定了過(guò)空巷的最佳充填體強(qiáng)度。

陽(yáng)泉南煤集團(tuán)南莊煤礦已經(jīng)進(jìn)入資源枯竭階段，為提高資源回收率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，擬對(duì)15號(hào)煤層八采區(qū)大巷煤柱進(jìn)行回收，但15號(hào)煤層及其頂?shù)装宕嬖诖罅康目障铮c工作面推進(jìn)方向平行、斜交，但影響最大的是跨越煤層和煤層底板的穿層巷道，為此，本文針對(duì)該礦8836回采工作面過(guò)空巷情況進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的充填治理方案。

1 工程概況

南莊煤礦位于山西省陽(yáng)泉市南2.5 km處，井田呈不規(guī)則多邊形，東西寬約3.7 km，南北長(zhǎng)約3.8 km，礦區(qū)面積12.571 7 km2，批準(zhǔn)開采3號(hào)、6號(hào)、12號(hào)、15號(hào)煤層，現(xiàn)已基本采完，為了延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限和提高礦井的采出率，對(duì)八采區(qū)大巷煤柱進(jìn)行回收。八采區(qū)大巷煤柱主采15號(hào)煤層，平均6 m，直接頂為泥巖，老頂為細(xì)砂巖，底板為砂泥巖，作為8836工作面，如圖1所示。煤柱回收巷道系統(tǒng)，回風(fēng)巷利用已有的回風(fēng)大巷，新掘運(yùn)輸巷。8836工作面在回收過(guò)程中需要穿越的本煤層空巷、底板空巷及采空區(qū)分布如圖1所示。

圖1 8836工作面布置平面圖

8828工作面采空區(qū)、聯(lián)絡(luò)巷位于8836工作面前方，附近空巷是八采區(qū)膠帶巷與猴車巷間的聯(lián)絡(luò)巷，距離8828回風(fēng)巷38.2 m，距8830運(yùn)輸巷27.2 m，是采區(qū)膠帶巷向西掘進(jìn)期間的回風(fēng)系統(tǒng)，成巷已10 a以上，巷道斷面為2.6 m×2.5 m，采用錨網(wǎng)支護(hù)。在膠帶巷側(cè)開口，布置在15號(hào)煤層底板下部巖層中，以11°上坡開口掘進(jìn)，通過(guò)采區(qū)軌道巷后，以15°上坡與采區(qū)猴車巷貫通。為保證8836工作面的順利推采，擬采用高水材料對(duì)其底板空巷進(jìn)行充填。

2 充填方案

以服務(wù)8828工作面的底板空巷為例，工作面選用部分充填的充填方式，巷道斷面按照6.5 m2初步測(cè)算，巷道斷面收縮率按40%考慮，剩余斷面積為3.9 m2；其中上部其底板灌漿方案充填步驟如下：

1) 灌注止?jié){墻：為防止?jié){液向采區(qū)膠帶巷內(nèi)流動(dòng)，先在采區(qū)軌道巷和待充填巷道立體交叉處，距巷道底板0.5 m高的位置處，鉆取3個(gè)長(zhǎng)度11 m，與巷幫夾角為41°、D75 mm的鉆孔，編號(hào)為1～3號(hào)，灌注水灰比為1∶3的材料，灌注一定體積(12 m3)后停止；而后在距巷道底板1.5 m高的位置處，鉆取3個(gè)長(zhǎng)度14 m，與巷幫夾角為46°、D75 mm的鉆孔，編號(hào)為4～6號(hào)，灌注水灰比為1∶3的材料，灌注一定體積(9 m3)后停止；待1-6鉆孔灌注的材料凝結(jié)形成一定強(qiáng)度后，鉆取與巷幫夾角為46°、D75 mm的鉆孔，編號(hào)為7號(hào)，采用1 MPa左右的壓力進(jìn)行帶壓注漿，以檢驗(yàn)止?jié){墻的密室性。如果能保住壓力，證明灌漿效果較好，否則應(yīng)再次灌注。

2) 下部段充填：在灌漿墻基礎(chǔ)上，在巷道另一幫距底板1.0 m處，繼續(xù)鉆長(zhǎng)度9 m、D75 mm的鉆孔進(jìn)行充填，編號(hào)為8號(hào)，漿液水灰比為3∶1，灌注體積為120 m3。

3) 中部段充填：下部段充填完畢后，在兩巷交叉處的底板，垂直向下鉆1個(gè)孔，編號(hào)為9號(hào)，用水灰比3∶1、壓力為1 MPa壓力的漿液灌注，以檢驗(yàn)止?jié){墻的密實(shí)性。如果能保住壓力，證明灌漿效果較好，否則應(yīng)再次灌注。

4) 上部段充填：為防止回采工作面推進(jìn)到空巷附近時(shí)，支架前方空頂，在中、下部段充填完畢后，在軌道巷幫另外一側(cè)鉆1編號(hào)為10號(hào)的鉆孔，與巷幫夾角為88°、D75 mm，用水灰比5∶1漿液灌注，直至將空巷填充滿。待充填底板巷道布置圖見圖2。

材料水灰比及材料消耗：下部密閉墻的充填體，充填體水灰比3∶1，單立方材料消耗約305 kg，需要充填材料3 660 kg；中部水灰比為3∶1，需要充填材料，41 632.5 kg；上部充填體水灰比5∶1，單立方材料消耗約185 kg，需要充填材料14 430 kg，合計(jì)需要充填材料56 367.5 kg。若采用全部充填方式，則需要多消耗材料12 t。8836煤柱回收工作面共計(jì)通過(guò)底板巷道14條，采用部分充填方式，共節(jié)約材料約180 t，節(jié)省材料費(fèi)63萬(wàn)元。

材料凝固參數(shù)及強(qiáng)度：雙液混合20～30 min凝固，3 d強(qiáng)度不少于1.0 MPa，14 d強(qiáng)度不低于1.5 MPa。凝結(jié)后的材料強(qiáng)度隨漿液濃度的增加而增加。

部分充填指煤層底板厚度大于5.0 m的不充填，采用部分充填時(shí)，為防止支架陷入空巷，采用理論分析方法對(duì)底板所受壓力進(jìn)行了驗(yàn)算，具體如下：

考慮最不利的工況情況，頂板壓力按采高8倍考慮，即頂板來(lái)壓時(shí)的最大載荷。已知采高為5.58 m，巖層容重25 kN/m3，計(jì)算得到頂板所受最大應(yīng)力為1.17 MPa，考慮支架自重，底板所受載荷為1.3 MPa。在充填時(shí)選用水灰灌漿材料，經(jīng)測(cè)試，該材料3 d強(qiáng)度不少于1.0 MPa，14 d強(qiáng)度不低于1.5 MPa，滿足充填強(qiáng)度需求。

圖2 待充填底板巷道布置圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

為了對(duì)上述充填方案參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，本文以FLAC3D軟件為平臺(tái)，采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同的充填方案進(jìn)行應(yīng)力、位移、塑性區(qū)等方面的研究。數(shù)值模擬的可靠性之一在于模型建立的合理程度，合理的模型要有一定的假設(shè)，對(duì)空巷充填的模擬，建立的原則如下：①取被充填巷道的一個(gè)截面，按照平面應(yīng)變考慮；②邊界條件和巷道上方的采動(dòng)情況按照實(shí)際考慮；③要考慮支架對(duì)底板一定的壓力。

此外，在此模型建立的過(guò)程中，應(yīng)該還要注意以下幾點(diǎn)：①為了消除邊界效應(yīng)，被充填的巷道位于模型的中央且尺寸足夠大；②考慮到工作面超前支承壓力的作用，鉛直方向的應(yīng)力按原巖應(yīng)力的1.0倍、1.5倍、2.0倍、2.5倍、3.0倍、3.5倍考慮。鉛直方向的原巖應(yīng)力為7 MPa；③頂板壓力按采高倍數(shù)來(lái)考慮，底板合計(jì)所受的載荷為1.3 MPa；④在模型左右邊界水平方向?yàn)楣潭ㄟ吔纾逻吔缭O(shè)為固定約束(u=0，v=0)，為應(yīng)力邊界條件；上邊界載荷根據(jù)②中的條件進(jìn)行施加。因此，建立模擬方案，超前應(yīng)力集中系數(shù)K為：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5。

建立的數(shù)值模型，共有網(wǎng)格141 977個(gè)，節(jié)點(diǎn)30 721個(gè)，數(shù)值模型如圖3所示。

3.2 結(jié)果分析

1) 塑性區(qū)分析。全部充填時(shí)，隨著支承壓力K值增加，采場(chǎng)底板和充填區(qū)塑性范圍逐漸增加。主要變化區(qū)域體現(xiàn)在采場(chǎng)底板處，隨著K值增加，采場(chǎng)所帶來(lái)的壓力逐漸增大，壓力由巷道向下傳遞，最終在煤柱底板處，形成了大量的塑性區(qū)，而前方待采煤層處，由于未進(jìn)行工程擾動(dòng)，應(yīng)力還未重分布，塑性區(qū)的范圍未明顯增大。如圖4所示，當(dāng)K≥3.0時(shí)，煤柱底板塑性區(qū)明顯增大。在K=1.0時(shí)，由于充填材料強(qiáng)度較低，充填區(qū)域已經(jīng)形成塑性區(qū)，基本上充填區(qū)域全部為塑性區(qū)。伴隨著K值的增大，充填的空巷與周邊巖石形成一體，形成大量塑性區(qū)。

部分充填時(shí)，隨著K的增加，塑性區(qū)增加規(guī)律與全部充填類似。如圖5所示，當(dāng)K≥3.0，煤柱底板處塑性區(qū)明顯增多，但受下部未充填區(qū)域的影響，未充填區(qū)域強(qiáng)度較低，塑性變形比全部充填時(shí)范圍大。采空區(qū)右下角處的塑性區(qū)和未充填的塑性區(qū)貫穿連接在一起。

提取兩種充填方式下模型中的塑性區(qū)體積，部分充填與全部充填塑性區(qū)擴(kuò)展趨勢(shì)一致，前者塑性體積比后者略大，部分充填塑性區(qū)體積與全充相比相差不大，當(dāng)K在1.5～2.5范圍內(nèi)時(shí)，部分充填比全部充填大，當(dāng)K≥3.0時(shí)，則比較接近。部分充填時(shí)，當(dāng)K在1.0～1.5范圍時(shí)，部分充填時(shí)的拉破壞塑性區(qū)略大，當(dāng)K=2.0時(shí)，全充比部分充填時(shí)大，當(dāng)K>2.0時(shí)，二者互有增減，但整體相差不明顯。當(dāng)K=1.0時(shí)，部分充填比全部充填體積略大，隨后二者差距加大。當(dāng)K>2.5時(shí)，二者的差距逐漸減小。

對(duì)破壞機(jī)理而言，全部充填時(shí)，開始以拉伸為主，當(dāng)K>2.0時(shí)，拉伸破壞為主轉(zhuǎn)換為剪切破壞為主；部分充填也符合這個(gè)規(guī)律，但當(dāng)K>1.5時(shí)，拉伸破壞轉(zhuǎn)換為剪切破壞為主?？傮w上講，部分充填時(shí)的剪切變形比全部充填時(shí)剪切變形大。

2) 位移分析。如圖6所示，隨著K值增加，煤層底板底鼓量和水平位移量都變形逐漸加大。全部充填時(shí)，底板綜合變形在靠近空巷充填區(qū)域地段比沒有空巷的區(qū)域大，靠近煤壁附近時(shí)，底鼓量開始減小。當(dāng)K=3.5時(shí)，全充區(qū)域的最大底鼓量為400 mm左右；部分充填區(qū)域的最大變形量為下沉800 mm左右，原因是非充區(qū)域的下沉導(dǎo)致非充填區(qū)域上覆底板巖層的下沉；在非充區(qū)域與充填區(qū)域的交界處附近，巷道底板由原來(lái)的底鼓轉(zhuǎn)變?yōu)橄鲁?。從模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)K值達(dá)到2.5～3.5時(shí)，底板變形量較大，支承壓力峰值范圍一般為工作面前方4～8 m位置。因此，在工作面推采過(guò)程中，要根據(jù)工作面周期來(lái)壓的情況，如果該空巷正好處在來(lái)壓期間，則應(yīng)當(dāng)提前采取放置坑木等措施，以減小支架的下沉量。非來(lái)壓期間，部分充填則能夠滿足工作面回采的需要。

3)最大主應(yīng)力分析。隨著支承壓力的增大，采場(chǎng)周圍的應(yīng)力降低區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，但采空區(qū)上部的最大主應(yīng)力量值則逐漸增大。其中，全部充填時(shí)，最大主應(yīng)力由K=1.0時(shí)的45 MPa，逐漸增加到K=3.5時(shí)的120 MPa，部分充填規(guī)律也如此。同上所述，在非來(lái)壓期間，充填能夠滿足工作面回采的需求，最不利情況下來(lái)壓期間，需要采取放置坑木等加固措施。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

根據(jù)前述方案，充填工藝過(guò)程為：預(yù)埋充填管路—封閉充填空間—攪拌制漿—泵送充填；攪拌制漿工藝：打開放水閥—高速攪拌機(jī)加水—人工加料(按設(shè)計(jì)水灰比) —攪拌20 s—同時(shí)打開高速攪拌機(jī)排漿閥—泵送充填—關(guān)閉高速攪拌機(jī)排漿閥、打開內(nèi)循環(huán)閥—下一個(gè)制漿循環(huán)。

施工組織：每臺(tái)高速攪拌機(jī)需操作工1人，管路巡視及維護(hù)1人，倒料工4～6人，每班需工人6～8人。

采用所述的部分充填方案，保證了8836工作面順利通過(guò)了底板空巷，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 采用數(shù)值模擬方法探究了充填的可行性，部分充填方式相較于全部充填方式，剪切變形更大，塑性區(qū)增加量、鉛直方向位移、最大主應(yīng)力規(guī)律均趨于一致，當(dāng)來(lái)壓過(guò)大處于不利情況時(shí)，可通過(guò)放置坑木加固。部分充填能夠滿足工作面安全推采的要求。

2) 所提出的部分充填方案能保證作業(yè)采場(chǎng)的穩(wěn)定性，相對(duì)于全部充填方案，單條巷道節(jié)約材料12 t，節(jié)省材料費(fèi)4.2萬(wàn)元，8836工作面回采工節(jié)省充填材料費(fèi)約63萬(wàn)元，滿足了煤柱工作面安全推采的需要，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。