泵送支柱支護技術(shù)在工作面過空巷中的應用

張錦紅

(山西陽城陽泰集團 晶鑫煤業(yè)新井分公司，山西 晉城 048000)

前期小煤窯的私挖亂采等行為給一些礦井遺留下不規(guī)則的回采巷道，當工作面通過這些空巷時，由于超前應力的影響，空巷頂板破碎，工作面礦壓顯現(xiàn)強烈，有時甚至發(fā)生冒頂或壓架事故，給礦井的安全開采造成了極大的困難[1-2]。諸多研究人員提出了各種過空巷的方法及支護手段，但是由于各礦地質(zhì)條件的不同，適用效果也不盡相同[3-5]。本文提出了一種新型的過空巷技術(shù)——泵送支柱支護技術(shù)，為工作面安全過空巷提供了全新的探索方法。

1 工程概況

藍家塔煤礦12301工作面主采12煤，煤層厚度3.5～4.0 m，煤層傾角1～3°，埋深80～120 m，屬于近水平淺埋煤層。12301工作面位于12煤3盤區(qū)，工作面長度為242 m，推進長度1 250 m，采用大采高一次采全高綜合機械化開采，設(shè)計采高3.8 m。煤層直接頂為中粒砂巖、粉砂巖、細粒砂巖，平均厚度7.5 m；基本頂為砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖，平均厚度約21.4 m；直接底為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖，平均厚度約5.3 m。

由于之前小煤窯的偷采，在工作面中部留設(shè)的廢棄巷道貫穿整個工作面，巷道尺寸為5 m×3.8 m,空巷頂板采用“錨桿+錨索+鋼梁+單體”聯(lián)合支護，后期將單體回撤，如圖1所示。工作面在過空巷期間，極易發(fā)生工作面切頂、大面積冒頂?shù)痊F(xiàn)象，嚴重影響生產(chǎn)安全。通過采用泵送支柱過空巷技術(shù)，有效地保證了工作面安全順利通過空巷。

圖1 12301工作面空巷位置及巷道支護

2 泵送支柱技術(shù)

泵送支柱是一種新型巷道支護技術(shù)，泵送支柱支護強度高，可以代替空巷里的木垛或單體液壓支柱支護；具有可切割性，能夠幫助工作面快速通過和推進；具有較好的讓壓變形能力。此技術(shù)在國外被廣泛應用于礦山巷道的支護中，因此工作面過空巷期間選擇該項技術(shù)是最佳選擇。它主要由可充填的無機材料及充填袋組成。其中無機填充材料主要由硅灰、礦粉、硅酸鹽水泥按照一定的水料比混合而成，通過專用輸送泵將其輸送至充填袋內(nèi)，快速凝結(jié)形成高強度、具有一定變形量的支柱。如圖2所示。

圖2 泵送支柱現(xiàn)場模型

充填袋為圓柱形，材質(zhì)為PVC涂布，涂布內(nèi)常常纏繞高強度塑料繃帶或鋼絲，用于束縛充填支柱，具有防火、抗拉強度大、延展率高等優(yōu)點。充填袋尺寸可根據(jù)現(xiàn)場巷道尺寸進行設(shè)計，支柱直徑主要有0.5 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m等。

泵送支柱與錨桿、木垛支護相比，支撐強度高、讓壓變形能力強、殘余支撐強度高、具有可切割性。一般單根支柱的初撐力能到達20～50 kN。支柱一般由兩層充填體構(gòu)成，上層為厚度300 mm的讓壓層，對頂板變形起到一定的讓壓作用。另外其具有可切割性，在實際生產(chǎn)過程中不會對設(shè)備造成額外的影響。基于泵送支柱以上這些特點，該技術(shù)可應用于回撤通道、軟巖巷道及礦壓較大的空巷支護，既能保證巷道圍巖穩(wěn)定性，又可以保證煤機安全順利地通過空巷。

3 泵送支柱實驗室試驗

為了充分了解泵送支柱的各項性能，對泵送支柱進行了相似模擬試驗。制作模型為圓柱體，直徑200 mm，高度600 mm，特制充填料：550 kg；泵送水灰比：1.2～1.4，凝結(jié)時間：3～7 min；漿體濕比重：1 300～1 450 kg/m3，分別在柱體頂部裝有讓壓層和未裝讓壓層進行壓力試驗，測試周期為20 d。表1為泵送支柱材料強度發(fā)展變化。

表2為泵送支柱應力應變性能測試結(jié)果。由表2可知，在單軸壓力作用下，泵送支柱經(jīng)歷了屈服破壞的全過程，最大承載應力達到了20.4 MPa，而此時變形僅為8.4%，約為50.5 mm。在經(jīng)歷第二次屈服點后，承載能力迅速下降，直至發(fā)生屈服破壞為止。即使發(fā)生屈服破壞后，最大殘余強度仍為12.2 MPa，充分證明了該支護具有一定的塑性變形能力及較高的承載能力。

表1 泵送支柱材料強度發(fā)展變化

表2 泵送支柱應力應變測試結(jié)果

通過對支柱有無讓壓層進行對比分析可知，有讓壓層的支撐強度要大于無讓壓層的支柱，最大承載應力由15.2 MPa增加到20.4 MPa，且變形量也得到一定的增加，由13.2 mm增加到50.5 mm。充分說明設(shè)置讓壓層有利于提升支柱的整體支護效果，特別對于井下存在動壓的巷道。

4 工程實踐

在12301工作面空巷內(nèi)打設(shè)泵送支柱，設(shè)計支柱尺寸為1.0 m，空巷內(nèi)所有支柱頂部均提前設(shè)置一層300 mm的讓壓層，支柱高度根據(jù)空巷高度而定，平均高度3.5 m，空巷內(nèi)共布置2排支柱，每排67根，支柱間距3.0 m，排距3.0 m，支柱距離兩側(cè)煤壁0.5 m。支柱布置如圖3所示。

圖3 泵送支柱布置

12301工作面采用泵送支柱技術(shù)，在過空巷期間，發(fā)生2次大面積來壓，工作面支架壓力出現(xiàn)一定程度的上升，增幅比正常來壓略大，約為2.7%。空巷圍巖較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)冒頂、幫鼓、底鼓現(xiàn)象，頂?shù)装逡平孔畲鬄?82 mm，兩幫移近量最大為152 mm。過空巷期間泵送支柱易于截割，未出現(xiàn)失穩(wěn)傾倒等情況，經(jīng)受住了頂板強烈來壓的考驗，保證了工作面安全順利通過空巷。

5 結(jié) 語

1) 泵送支柱技術(shù)是一種新型的巷道支護技術(shù)，支撐面積大、強度高、可切割、具有一定的可縮性，實現(xiàn)了被動和主動相結(jié)合的支護，適合回撤通道、軟巖巷道及礦壓較大的空巷支護。

2) 通過實驗室測試，對支柱設(shè)置讓壓層與無讓壓層進行對比分析，結(jié)果表明泵送支柱設(shè)置讓壓層，具有一定的塑性變形能力，承載能力能得到一定的提升。藍家塔煤礦12301工作面實踐證明，選用有讓壓層的泵送支柱技術(shù)能夠保證工作面安全順利通過空巷。