綜采面過空巷高水充填支護技術應用

趙亞帆

（霍州煤電集團晉北煤業公司 山西靜樂 035100）

關鍵字：工作面過空巷；充填作業；工作面調斜

0 引言

在煤炭開采過程中，工作面過空巷時的巷道破壞變形一直是開采難題?？障镆话銥榈V井廢棄的工作巷或者已經開采過的采區巷道。當前工作面在推進的過程中，在過空巷時往往因為超前支承壓力導致頂板受力復雜，頂板巖層在復雜受力條件下，發生剪切、拉伸等破壞形態，隨著工作面的不斷推進，支架不能起到支撐作用后，頂板出現大面積的垮落，造成工作面推進的延遲，從而影響生產的進行[1-3]。晉北煤業5-103 工作面在過空巷時，礦井的加強支護并沒有起到良好的控制效果，通過充填作業，支架受力減小，圍巖穩定，為安全生產提供了便利。

1 5-103工作面概況

晉北煤業5-103工作面采用傾向長壁一次性采全高的采煤方法，后退式開采，工作面走向長度為180 m，傾向長度為660 m。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 m～6.9 m，平均為5.1 m。工作面煤層為V 型向斜構造，中間低兩邊高，煤層走向為N 343°S，傾向為EN253°，煤層傾角為5°～17°。

巷道的布置上，切巷沿著煤層走向布置，正巷和副巷沿著煤層的傾向布置，目前已勘探的煤炭儲量達到85 萬t。在工作面巷道主要采用ZY11000/24.5/50 型兩柱支撐掩護式液壓支架對頂板進行支護作用，支架寬度為1 680 mm，可以支撐高度范圍2 450 mm～5 000 mm，長度4 420 mm 的巖體，支架的工作阻力范圍為1.18 MPa～1.24 MPa，工作阻力最大可達到11 000 kN。

在工作面推進的過程中，遇到空巷所以巷道需要加強支護。當工作面推進至460 m 左右的位置，工作面經過空巷，為了保證巷道的穩定性，對跨采空巷集中皮帶巷跨采段采用木垛支護加強支護，對于采區進風巷道而言，采用錨索配合拱形托板施工點錨索，每隔1.6 m進行打孔充填樹脂錨固劑，保證固錨索外露長度為150 mm～250 mm，錨索張拉力不小于150 kN。

2 5-103工作面圍巖變形機理分析

在已有的支護條件下，工作面過空巷時巷道變形依舊嚴重，主要變現為以下三個方面：

(1)當工作面推進至距離正巷19 m、副巷49 m的位置時，工作面頂板受到采動影響，導致受力集中，頂板破碎嚴重，威脅到工人的生命安全；

(2)當工作面過空巷時，巷道液壓支架阻力增加明顯，正巷內液壓支架的最大阻力值為42 MPa，空巷內液壓支架阻力雖然較小，也達到了28 MPa。無論是正巷還是副巷，巷道礦壓現象明顯，巷道受力變形較大，影響到礦井的安全生產。

(3)采區間的聯絡巷變形較大，在工作面過空巷的過程中，聯絡巷的液壓枕值出現陡增現象，巷道有明顯的變形，距離工作面較遠的聯絡巷的受力穩定，基本無變形。

為了深入了解工作面過空巷時巷道圍巖的破壞機理，對巷道受力進行分析，傳統力學觀點認為，在工作面過空巷時，空巷上部的巖體會形成壓力拱形狀的特殊結構，按照砌體梁假說進行圍巖力學模型的建立，空巷頂部受到的載荷視為均布載荷，工作面過空巷力學模型簡圖如圖1所示。

圖1 工作面過空巷力學模型簡圖

圖中，上覆巖塊A 與巖塊B 之間的水平作用力為TA，單位MPa；上覆巖塊A與巖塊B之間的垂直作用力為QA，單位MPa；上覆巖塊B 與巖塊C 之間的水平作用力為TC，單位MPa；上覆巖塊B與巖塊C之間的垂直作用力為QC，單位MPa；空巷的寬度為m，單位m；空巷的支護阻力為σm, 單位MPa；預留煤柱寬度為w，單位m；煤柱的強度為σw,單位MPa；支架的工作阻力為σn,單位MPa；控頂距為n，單位m。

一旦空巷出現斷裂狀態，則其處于三維受力狀態，受力模型如圖2所示。

圖2 巖塊B三維受力特征模型圖

圖中，巖塊B 所受的垂直應力為Fd，MPa；直接頂對基本頂的作用力為Fv, MPa；基本頂的重力為Fg,MPa；基本頂的長度為L，m。

對巖塊B進行力矩分析：

基本頂的斷裂長度計算公式如下：

巖塊間接觸力學公式如下：

根據公式(1)、(2)、(3)得到支護阻力計算公式：

取s=120 m（空巷長度為120 m，不取工作面實際工作長度）；α=13.5°；M=4.7 m；a=6.5 m；R0=6 MPa；h=18.92 m；hz=3.82 m；q=0.94 MPa；H0=350 m；m=4.4 m；n=3.75 m；γ=0.025 MN/m3；tanφ=0.2；KG=5 MPa/m ；KC=1 000 MPa/m；Kd=1.5；σl=80 MPa。根據公式(1)、(2)、(3)求出空巷的支護阻力σm為 3.65 MPa，因此，進行充填作業時需要保證充填體的支護強度大于3.65 MPa。

3 工業充填作業

經過上述計算，得到充填體的支護強度必須大于3.65 MPa 才可以滿足礦井的安全生產需要。為此，以晉北煤業5-103工作面為研究背景，進行工業施工。

從已有經驗來看，充填材料的選擇是關鍵，不同的水灰比下，漿液的凝固時間有差異，得到的膠結充填體的強度有差別，為此進行了大量實驗，得到表1所示的不同水灰比下的材料性能。

從表1可以看出，不同水灰比下，得到的材料的抗壓強度都大于3.65 MPa，都滿足充填強度，雖然凝固時間差異大，但是根據工作面的實際情況來看，凝固時間都較短，可以忽略。不同的是，不同水灰比下水的用量以及高水材料的用量都有差異，綜合對比材料成本，水灰比為4.1是最經濟合理的，也滿足充填強度。

當工作面過空巷時，通過工作面的調斜方案，可以有效降低液壓支架的承載能力，圖3 為5-103 工作面過空巷工作面調斜示意圖。

表1 不同水灰比下材料性能比較

圖3 過空巷工作面調斜示意圖

圖4 液壓支架工作阻力記錄圖

工作面調斜的角度值θ 根據空巷的尺寸決定，空巷寬為4.4 m，長為120 m，因此理論計算值θ為2.1°，在實際工作中，保證調斜角度大于θ的理論計算值即可，現場實際中，調斜角度為3°，滿足條件。經過調斜后，對工作面過空巷時工作面支架的工作阻力進行觀測記錄，得到圖4所示的結果，從對15#和45#支架的記錄可得，工作面過空巷時支架的阻力雖有波動，但是都在支架工作阻力范圍內，且在工作面推進的過程中，充填體并無明顯的橫向變形，證明了充填方案的正確性。

通過充填作業以及工作面調斜方案，觀測工作面過空巷時的液壓支架阻力以及巷道的變形情況。從實際生產來看，當工作面過空巷時，工作面的液壓支架阻力雖然也有波動，但是波動范圍在50 kN以內，并不會影響生產的進行。觀察巷道圍巖的變形，工作面過空巷時，巷道并沒有明顯的變形，相較之前的加強支護措施，有了明顯的改善，為工作面順利推進提供了方便。

4 結語

晉北煤業5-103 工作面過空巷時，礦井采用加強支護方案，發現巷道圍巖的受力變形明顯，嚴重影響到生產的進行，為此，對其進行了工作面圍巖變形機理分析，得到充填體的支護強度大于3.65 MPa 時才能滿足生產要求，通過現場充填作業以及工作面調斜方案對5-103 工作面過空巷進行了改進措施，改進后的巷道圍巖變形得到很好的控制，生產效率也得到提高。