晉北煤業5-103工作面走向空巷充填技術應用研究

吳天陽

（霍州煤電集團晉北煤業公司，山西 靜樂 035100）

0 引言

在煤炭的開采過程中，工作面過空巷時巷道圍巖的變形一直是難題。當工作面過空巷時，因為超前支承壓力的作用，非常容易導致巷道頂板冒落，當頂板較為堅硬時，常常因為受力集中導致上覆巖層斷裂，隨著工作面的推進，頂板斷裂現象愈加嚴重，有可能導致大面積的頂板下沉問題，影響開采的順利進行。分析其原因，主要是因為空巷支撐力較小，在工作面長時間的推進過程中，空巷受力集中所以導致巷道的變形[1-5]。晉北煤業5-103工作面也是如此，為了解決工作面過空巷時巷道變形嚴重的問題，進行了高水充填作業，收到了良好的效果。

1 試驗工作面生產地質條件

晉北煤業5-103工作面位于一采區，東北部與一采區回風、皮帶、軌道巷相鄰；東南部與井田邊界相鄰；西南部與原牛泥煤礦2005-2006年采空區相鄰；西北部以采區邊界為界；5-103工作面地面標高為+1340m～+1510m，井下標高為+1335m～+1377m。

采區內煤層性質穩定，根據地質鉆孔資料及巷道揭露情況可知：工作面煤（巖）層賦存相對穩定，區域內斷裂構造不發育。5上#煤層厚度為3.3～6.9m，平均為5.1m。工作面煤層為V型向斜構造，中間低兩邊高，煤層走向為N343°S，傾向為EN253°，煤層傾角為5～17°。

在5-103工作面回采的過程中，需經過與工作面走向平行的空巷,空巷為老巷，與通風大巷平行。空巷斷面積約為6m2，寬度為4.2m，高度為1.5m，空巷巷道采用錨桿錨索支護方案，根據現場經驗可知，工作面推進至空巷巷道時，巷道內錨桿錨索出現斷裂現象，圍巖變形嚴重，嚴重威脅到生產的進行，為此必須采取相應的措施維持巷道的穩定性。

2 工作面過空巷期間充填體作用機理及參數確定

為了避免工作面過空巷時發生液壓支架壓死、頂板下沉嚴重的問題，采用高水材料進行充填作業，高水材料是一種特種水泥，具有凝結速度快、強度大等優點。利用高水材料進行充填作業后，充填體對巷道的支撐作用減少了巷道頂板的下沉量，保證了工作面回采的安全性。

因為空巷頂板的破壞并不是一個突變的過程，而是力學漸進所致，未進行充填支護時，受采動影響，頂板巖層由最初直接頂的彎曲下沉轉變為直接頂、老頂離層，此時力學關系式滿足下列條件：

式中：q1老頂承載為，單位kN；γh1為老頂單位長度下承載，單位kN；E1、E2、J1、J2分別為老頂、直接頂的彈性模量和慣性矩，單位分別為MPa、kg·m2；h1為老頂的厚度，單位m；Σh為直接頂的厚度，單位m；L1為初次垮落步距，單位m。

通過高水材料充填后，充填體提供的承載力為q2，充填支撐作用下，直接頂和老頂力學關系式滿足下列條件：

化簡公式（2）可得直接頂和老頂不發生離層的條件是q2≥γh1+q1-，即保證充填體強度大于q2即可，根據計算，得到充填體強度需大于2MPa。

不同水灰比下，高水材料的強度值存在差異，圖1為不同水灰比值下充填體抗壓強度隨時間的變化曲線，當水灰比值為11:1時（水體積為97%），高水材料在三軸受力狀態下抗壓強度可達到0.5MPa；當水灰比值為8:1時（水體積為96%），高水材料在三軸受力狀態下抗壓強度可達到1MPa；當水灰比值為6:1時（水體積為95%），高水材料在三軸受力狀態下抗壓強度可達到2MPa；當水灰比值為5:1時（水體積為94%），高水材料在三軸受力狀態下抗壓強度可達3MPa；隨著水灰比值的減少，高水材料的強度值越大。考慮到高水材料成本較高，滿足充填強度即可，因此選擇水灰比值為6:1進行高水材料充填作業。

3 工業試驗

3.1 充填及實施方案

根據5-103工作面實際地質狀況，將工作面以及充填區域劃分為8個區段逐個進行填充作業。在填充作業初期，先在空巷兩端設置臨時的密閉墻，臨時密閉墻設定完成后，每隔800mm的間隙設置一個單體液壓支架，為充填體充填空巷留出足夠的空間。在前三段密閉墻上通過鉆孔使其形成注漿充填孔。在第一段區域充填完成后，為了保證生產的安全進行，在充填區域安裝通風機保證足夠的通風量，逐段進行充填作業，直至8個區段都充填完成。

在充填作業時，選用兩臺充填泵進行充填作業，一臺用于工作，另外一臺備用。注漿工藝較為復雜，主要包括漿液的輸送、配比以及清理等工序。將攪拌桶安裝在距離運輸軌道較近的位置，既有利于材料的輸送，又便于工人進行物料的搬運，在注漿過程中，共設置四臺攪拌桶，每個攪拌桶中可以容納1.5m3的漿液，每個攪拌桶外管都與32mm的高壓及膠管相連接，保證高壓膠管有足夠的長度。因為注漿過程時間較長，為了避免注漿材料受潮，通常在巷道底部鋪設一層木板，可以有效防止注漿材料變潮變硬。在攪拌桶的另外一側需連接約3寸長的供水管線。充填設備圖如圖2所示。

圖2 注漿設備圖

3.2 注漿效果觀測

注漿效果的檢測主要包括礦壓監測和窺視孔分析兩部分，對于礦壓的檢測，本文選取的是注漿區域2區的30#、32#、34#液壓支架進行觀測，得到圖3所示的上測站液壓支架工作阻力變化圖以及圖4所示的下測站液壓支架工作阻力變化圖。從圖中可以看出，隨著工作面推進至空巷2段時，上測站的32#液壓支架相較其它液壓支架的工作阻力增加了130kN，30#與34#支架之間的工作阻力差值約為50kN。在下測站區域，三個支架之間的工作阻力差值都維持在50kN左右。在工作面推進至2段區域時，巷道頂板的壓力發生變化使得支架的阻力增加，因為支架工作阻力差值都在200kN以下，因此支架可以起到很好的支撐作用。在超前支承壓力的作用下，巷道受力集中容易變形，當進行充填作業后，充填體以及液壓支架工作支護使得巷道具有一定的承載能力，較小的變形量并不影響正常的煤炭開采。

圖3 上測站液壓支架工作阻力變化圖

圖4 下測站液壓支架工作阻力變化圖

圖5 為正常階段與進入空巷時液壓支架工作阻力變化對比圖，從圖中可以看出，當回采工作面未進入空巷前，支架的平均阻力值約為2765kN，不同支架的工作阻力差值均小于50kN，當工作面過空巷時，支架的平均工作阻力約為2700kN，不同支架的工作阻力差值均小于50kN，對于32#支架而言，在進入空巷時，支架的工作阻力達到2785kN，比未進入空巷時的工作阻力大90kN。因此可見，充填作業后，巷道依舊會有一定程度的下沉，從液壓支架的工作阻力差值來看，巷道的變形并不大。由此可見，通過充填作業后的空巷具有一定的承載能力，能滿足工作面的正常推進。

圖5 正常階段與進入空巷時液壓支架工作阻力變化對比圖

窺視孔分析通過5-103工作面4個窺視孔和巷道距離開切眼20m和30m位置的窺視孔進行觀測，得到表1所示的結果。

表1 注漿效果窺視孔

根據對窺視孔效果和現場觀測，高水充填材料對頂板起到直接的支撐作用，控制了頂板離層現象的發生，未影響工作面正常回采的進行，證明了充填作業的成功性。

4 結論

本文針對5-103工作面推進至空巷巷道時，巷道內錨桿錨索出現斷裂現象，圍巖變形嚴重的問題進行了充填體作用機理及參數確定，選擇水灰比值為6:1進行高水材料充填作業，通過對支架工作阻力和窺視孔效果分析，得到6:1水灰比值高水充填作業對巷道頂板起到明顯的支撐作用，保證回采工作的順利進行。