近距離煤層工作面充填法過空巷技術(shù)研究與應(yīng)用

趙潤峰

（山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500）

在綜采工作面過空巷的過程中，對空巷的支護(hù)往往采用木垛和工字鋼架棚進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)[1-2]，而近距離煤層工作面由于下層煤工作面頂板厚度小，且受上層工作面開采影響，頂板圍巖裂隙發(fā)育，承載能力較差，在工作面過空巷的過程中采用傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式無法滿足巷道支護(hù)強(qiáng)度要求，容易造成工作面頂板大范圍冒頂和壓架[3-5]。高水充填具有支護(hù)強(qiáng)度高、連續(xù)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此，對近距離煤層工作面高水充填法過空巷技術(shù)進(jìn)行研究有重要意義[6-7]。

本文以11102 綜采工作面為背景，采用數(shù)值模擬的方式對近距離煤層工作面高水充填法過空巷合理充填強(qiáng)度進(jìn)行了研究。

1 工作面概況

磁窯溝煤礦11102 工作面采高4m，埋深為177m，推進(jìn)長度1044m，工作面寬179m。頂板為炭質(zhì)泥巖，平均厚度為5.5m。11102 綜采工作面內(nèi)錯(cuò)于10202 綜采工作面5m 布置。在距回風(fēng)巷口580m 的位置有一條探水孔措施巷，該巷道沿方位角75°掘進(jìn)，長度為68m。如圖1 所示。

圖1 11102 工作面布置圖

探水孔措施巷設(shè)計(jì)巷寬3.5m，巷高4.2m，巷道支護(hù)采用頂錨桿規(guī)格為Φ18×2100mm 圓鋼錨桿，間排距為1000×1000mm，每排支護(hù)4 根。錨索規(guī)格為Φ17.8×5000mm，排距為2000mm，每排支護(hù)1 根，幫部未支護(hù)。

2 工作面充填法過空巷頂板控制原理

當(dāng)近距離煤層綜采工作面過未補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的空巷時(shí)，隨著工作面離空巷越來越近，工作面前方煤柱越來越窄，在超前支承應(yīng)力的作用下，煤柱會(huì)逐漸破碎失去對頂板的支撐能力。此時(shí)，工作面空頂面積會(huì)變得很大，從而導(dǎo)致頂板提前垮落，引發(fā)頂板事故。如圖2 所示。

圖2 近距離煤層工作面過空巷漏頂示意圖

當(dāng)使用高水速凝材料提前對空巷進(jìn)行充填后，充填體能夠?yàn)橹苯禹斕峁┳銐虻闹瘟Γ行Э刂祈敯遄冃危页涮铙w完全充滿空巷，能夠保證工作面與空巷貫通后空頂面積正常，避免發(fā)生冒頂事故，確保綜采工作面過空巷時(shí)的效率和安全性。

3 高水充填材料強(qiáng)度數(shù)值模擬研究

為了研究高水充填材料的合理強(qiáng)度，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對不同高水充填材料強(qiáng)度下工作面及空巷圍巖的應(yīng)力分布和變形規(guī)律進(jìn)行研究。高水充填材料力學(xué)參數(shù)如表1 所示。模型采用庫倫模型，模型尺寸為150m×50m×50m，如圖3所示。

表1 高水充填材料力學(xué)參數(shù)

分別模擬綜采工作面距空巷10m 時(shí)不同充填材料強(qiáng)度下圍巖的Z 方向應(yīng)力分布情況，如圖3 所示。

圖3 不同充填材料強(qiáng)度下巷道圍巖應(yīng)力分布

觀察圖3 可知，隨著充填材料強(qiáng)度的增加，工作面前方措施巷圍巖的垂直方向承載能力也逐漸增強(qiáng)。在空巷未進(jìn)行充填的情況下，巷道頂?shù)装逯螒?yīng)力為2MPa；當(dāng)充填材料強(qiáng)度為5MPa 時(shí)，巷道圍巖支撐應(yīng)力為4MPa；當(dāng)充填材料強(qiáng)度為8MPa時(shí)，巷道頂?shù)装搴妥髱蛧鷰r支撐應(yīng)力達(dá)到7MPa，右?guī)蛧鷰r支撐應(yīng)力達(dá)到4MPa；當(dāng)充填材料強(qiáng)度為11～17MPa 時(shí)，巷道頂?shù)装搴妥髱蛧鷰r支撐應(yīng)力維持在7MPa 左右，右?guī)蛧鷰r支撐應(yīng)力達(dá)由4MPa 逐漸增加至7MPa。由此可見，11102 綜采工作面在對空巷進(jìn)行充填支護(hù)時(shí)，應(yīng)選用強(qiáng)度為8 MPa 的高水充填材料。

模擬得到工作面距離空巷不同距離時(shí)，充填材料強(qiáng)度與巷道圍巖變形關(guān)系如圖4 所示。

觀察圖4 可知，隨著空巷使用的充填材料強(qiáng)度提高，頂板和兩幫位移量逐漸減小。在充填材料強(qiáng)度為0～8MPa 范圍變化時(shí)，頂板和兩幫位移量迅速減小；在充填材料強(qiáng)度為8～17MPa 范圍變化時(shí)，頂板和兩幫位移量下降速度降低，逐漸趨于平緩。

通過數(shù)值模擬研究可知，綜采工作面采用高水充填法過空巷能提供良好的支撐效果，有效控制空巷圍巖變形。此外，充填材料強(qiáng)度越高，圍巖控制效果越好。綜合考慮圍巖控制效果和生產(chǎn)成本控制，充填材料合理強(qiáng)度為8MPa，水灰比為2.25。

圖4 充填材料強(qiáng)度和巷道圍巖形變關(guān)系圖

4 效果評價(jià)

在11102 綜采工作面采用充填法過空巷的過程中，工作面液壓支架壓力的監(jiān)測結(jié)果如圖5 所示。

圖5 支架壓力監(jiān)測圖

觀察圖5 可知，在11102 綜采工作面距空巷較遠(yuǎn)時(shí)，支架壓力平均值為20.2MPa，在工作面過空巷時(shí)，支架壓力峰值為21.1MPa，增幅為4.45%，支架壓力增幅較小。同時(shí)，充填體將空巷完全填充，空巷圍巖未發(fā)生明顯變形，圍巖控制效果非常好，確保了工作面以正常生產(chǎn)速度過空巷。

5 結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬研究可知，充填材料強(qiáng)度越高，巷道圍巖承載能力越強(qiáng)，頂板和兩幫位移量越小，圍巖控制效果越好。綜合考慮圍巖控制效果和生產(chǎn)成本控制，充填材料合理強(qiáng)度為8 MPa，水灰比為2.25。

（2）通過11102 綜采工作面充填法過空巷的實(shí)際應(yīng)用表明，工作面支架壓力峰值為21.1MPa，增幅為4.45%，支架壓力增幅較小，礦壓顯現(xiàn)正常，空巷圍巖控制效果良好，提升了過空巷的效率。