西曲礦厚煤層綜采面過空巷技術實踐

閆騰騰

(西山煤電股份公司 西曲礦，山西 古交 030200)

受小煤礦無序開采、工作面設計方案改變等因素的影響，工作面回采過程中會遇到一些廢棄的巷道，受開采活動影響，空巷頂板遭到破壞，圍巖變形，嚴重影響著工作面安全高效生產[1-2]。目前，工作面過空巷時，空巷的控制手段主要為木垛支護、錨網索聯合支護、充填支護3種。選擇合理的空巷支護技術是實現工作面安全開采、提高工作面經濟效益的關鍵。本文以西曲礦12313工作面開采技術條件為背景，分析研究空巷不同控制方式下巷道圍巖變形特征，進而確定空巷控制手段，為工作面安全高效過空巷提供技術保障。

1 工程地質概況

西曲礦12313工作面位于南三盤區東北部，西北部為已回采的12314工作面，西南部為已回采的12309工作面，東南部為設計中的12312工作面，東北部為西1072運輸大巷。工作面推進長度680 m，寬度220 m，采用長壁后退式全部垮落法一次采全高綜合機械化采煤方法。工作面煤層厚度3.91～4.62 m，平均4.22 m，煤層傾角1～4°，平均2°，埋深約484.6 m，煤層普氏系數為1.5，屬于穩定性煤層。12313工作面回采期間將穿過廢棄的10122運輸巷道，斜交穿過長度約260 m，如圖1中所示。該廢棄巷道設計為矩形斷面，U型棚支護，沿煤層頂板掘進，原設計凈斷面為高×寬=2.4 m×4.2 m，凈斷面面積為10.08 m2。

2 工作面過空巷支護控制方式確定

考慮到12313工作面過廢棄空巷時，工作面采動作用易造成巷道頂板破斷等現象，因此，決定對該廢棄空巷進行支護控制。目前常采用的過空巷方法主要是木垛支護、錨桿支護和高水材料充填支護三種過空巷方式[3-4]。

圖1 12313工作面巷道布置平面

本文采用FLAC3D數值模擬軟件對比分析3支護方式下，12313工作面推進至空巷過程中空巷圍巖變形破壞規律，以確定選用合適的空巷支護方式。模型尺寸為X×Y×Z=500 m×280 m×100 m，采用莫爾庫侖破壞準則，模型中各巖層傾角為2°，其中底板模擬厚度20 m，煤層模擬厚度4.2 m，頂板模擬厚度75.8 m；模型頂部采用應力邊界約束，施加垂直應力10.12 MPa以模擬工作面埋深484.6 m，模型左右兩側、前后兩側以及底邊均采取位移邊界約束；模型中空巷斷面形狀為矩形，模擬尺寸為：高×寬=2.4 m×4.2 m，沿煤層頂板掘進；模型左右兩側和前后兩側各留設30 m寬度做為保護煤柱。每次開挖10 m，在距離空巷100m處每間隔10 m設置監測點對空巷頂底板及兩幫位移量進行監測。其中，模擬3種支護方式時，木垛支護采用1.0 m×0.2 m×0.2 m方木支設，三花布置；錨桿支護采用D18.9 mm×2 200 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；充填支護設計充填體的密度為1 800 kg/m3，彈性模量為2.6 GPa，泊松比0.18，粘結力2.6 MPa。

圖2為3種支護方式下工作面推進距離空巷20 m時空巷圍巖塑性區分布情況。

圖2 3種控制方式下空巷塑性區分布特征

由圖2可知，當空巷采用木垛支護時，空巷圍巖塑性區較大，顯現出淺部圍巖以拉張破壞為主，深部以剪切破壞為主的分布特征；當空巷采用錨桿支護時，空巷圍巖塑性區范圍較木垛支護時小，說明錨桿支護優于木垛支護，但當工作面割過空巷時，支架無法及時移至煤壁，增加了端面控頂距，仍存在片幫、冒頂等問題；當空巷采用充填控制時，空巷周圍未出現塑性變形，空巷控制效果明顯，使原來空巷掘進引起的周圍應力變化降到了最低。

圖3為3種支護方式下，工作面空巷的頂板下沉量、底鼓量和兩幫移進量的變化曲線。

圖3 3種控制方式下空巷圍巖變形特征

由圖3可知，空巷分別采用木垛支護、錨桿支護和充填控制時，巷道頂底板移近量分別為248.5 mm、168.2 mm和95.6 mm，兩幫移近量為239.4 mm、163.4 mm和88.4 mm，空巷充填控制時巷道變形程度小，控制效果最理想，巷道得到有效控制；同時，空巷充填控制時，工作面過空巷時發生片幫和冒頂風險大大降低，可安全快速過空巷。

綜上所述，選擇高水材料充填空巷的方式過12313工作面空巷。

3 空巷充填控制技術

3.1 空巷充填施工方案設計

為保證12313工作面安全開采，采用空巷充填控制手段時，充填體需具備以下特點：①充填體能快速接頂；②充填體可以有較大的塑性變形而不喪失承載能力；③充填速度快，充填時間短。

現場勘探可知，空巷(10122運輸巷)長度約260 m，采用分段充填方式對此空巷進行充填。以30～50 m為1段依次分段充填，充填段起止兩側打設止漿墻以防止充填漿液流動，保證空巷充填密實，其中，止漿墻由木立柱釘上木板組合施工，并伸入兩側煤幫各約200 mm。空巷分段充填布置方案如圖4(a)所示。

圖4 充填空巷施工示意

為保證空巷充填密實，在施工巷道內布置2～3路漿液混合管，綁定在分段巷道頂板處，如圖4(b)所示。

3.2 充填系統、工藝與設備

1) 充填系統。高水充填材料分甲料、乙料兩種，配比1∶1，甲料、乙料單獨攪拌，混合后能快速凝固。充填系統主要包括攪拌桶、混合泵、備用泵、出漿管、混料器等，其中，攪拌桶主要用來攪拌甲料、乙料漿液，混合泵對兩種漿液進行混合加壓，由出漿管高壓輸送充填漿液至充填點[5]。如圖5。

圖5 注漿設備配置示意

2) 充填工藝。高水材料充填工藝如圖6所示。

圖6 充填工藝流程示意

充填時每個攪拌桶每加入1袋甲(乙)料，同時加入1袋乙(甲)料。注意在加料攪拌時，先加水至攪拌桶三分之二的位置，然后先加入甲(乙)料，再放入乙(甲)料，使添加劑溶解充分后，再加水至攪拌桶的上邊沿，注意不能將水灑出。

3) 充填設備。充填所需設備見表1所示。

表1 充填設備

空巷(10122運輸巷)充填體積約為2 800 m3，在10∶1水灰比條件下，每噸高水充填材料可充填約10 m3空間，考慮一定的損耗，需要高水充填材料約290 t。

4 工作面過空巷效果觀測

在工作面推過空巷的過程中，采煤機能夠順利切割充填體，充填體具有較好的承載能力，空巷未出現片幫和冒頂現象，如圖7所示。

圖7 液壓支架上方高水材充填體

圖8 距離空巷不同距離工作面支架壓力

對12313工作面支架工作阻力進行監測，如圖8所示。監測結果顯示，工作面推過空巷整個過程中，支架工作阻力平均約為20.3 MPa；當工作面距空巷約為3.2 m時，工作面液壓支架工作阻力開始增加，最大約為21.1 MPa，增幅3.5%；當工作面經過空巷后，支架工作阻力又恢復到正常值；整個過程中，支架工作阻力變化波動程度較小，表明空巷充填控制效果較好，能夠保證工作面安全推過空巷。

5 結 語

1) 模擬結果顯示，當空巷采用充填控制、工作面推進至空巷時，巷道頂底板移近量為95.6 mm，兩幫移近量為88.4 mm，巷道周圍基本沒有發生塑性破壞，是工作面過空巷支護控制最佳手段。

2) 設計了合理的空巷高水材料充填控制方案和工藝系統，在12313工作面進行了高水材料充填空巷試驗，結果表明工作面采用充填過空巷控制手段時，空巷沒有出現片幫、冒頂現象，工作面支架平均工作阻力在20.3 MPa左右，最大達到21.1 MPa，增加幅度僅3.5%，充填空巷控制效果較好，工作面能夠快速安全通過空巷。