泵送充填支護(hù)技術(shù)在綜采工作面過空巷中的應(yīng)用

楊磊

【摘 要】 為了確保采面生產(chǎn)安全，本文針對3303綜采工作面過空巷問題，提出采用泵送充填支護(hù)方法控制頂板變形，并具體確定了充填材料支撐強(qiáng)度及水灰比、充填技術(shù)方案，現(xiàn)場應(yīng)用效果顯著。研究結(jié)果表明： 1）充填材料強(qiáng)度對空巷頂板控制效果有顯著影響，3303綜采工作面過空巷時最為經(jīng)濟(jì)、合理的材料支撐強(qiáng)度為1MPa，水灰比為8∶1;2）根據(jù)采面實際情況，設(shè)計了采面過空巷充填技術(shù)方案;3）現(xiàn)場應(yīng)用后，空巷頂板下沉量控制在150mm以內(nèi)，不會給采面正常推進(jìn)帶來不利影響。研究成果為礦井采面過空巷積累了寶貴經(jīng)驗。

【關(guān)鍵詞】 綜采工作面;空巷;高水充填材料;礦壓;支撐強(qiáng)度

【中圖分類號】 TD823 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）05-0014-03

空巷是礦井無序開采或者開采設(shè)計變更而遺留的廢棄巷道，根據(jù)空巷位置關(guān)系可分為走向、傾斜及傾向空巷。回采工作面推進(jìn)過空巷時容易引起巷道原有支護(hù)結(jié)構(gòu)失效而出現(xiàn)坍塌問題，如何確保采面過空巷安全是礦井生產(chǎn)過程中需要解決的現(xiàn)實問題。眾多的科研學(xué)者對采面過空巷技術(shù)以及空巷圍巖控制技術(shù)展開研究，其中劉暢等采用相似模擬及現(xiàn)場實測技術(shù)手段研究了復(fù)采工作面過空巷頂板破斷特征;尹超宇等對采面與空巷間煤柱穩(wěn)定性展開研究，并對煤柱失穩(wěn)后頂板破斷位置及受力狀態(tài)進(jìn)行分析;徐青云等對空巷頂板穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行分析，并確定了維持頂板穩(wěn)定的最小支護(hù)阻力。文中就提出采用泵送充填支護(hù)方式過走向空巷，并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，以期能為類似情況下過空巷提供一定借鑒。

1 工程概況

某礦3號煤層，厚平均2.6m，傾角3～6°，埋深850m。現(xiàn)階段礦井開采的3303綜采為3采區(qū)首個回采工作面，采面埋深平均860m，采面設(shè)計走向、傾向長度分別為1030m、160m，開采范圍內(nèi)煤層賦存較為穩(wěn)定，未探測到對回采有較大影響的地質(zhì)構(gòu)造。具體采面頂?shù)装鍘r性參數(shù)見表1。

由于礦井開采設(shè)計變更，3303綜采工作面開采期間需要揭露一條長250m且與采面平行的空巷（原3301采面回風(fēng)巷），空巷為矩形斷面（寬、高分別為4.5m、2.5m），3303采面回風(fēng)巷與空巷間距平均為35m。由于空巷廢棄時間已達(dá)到3a以上，原采用的錨網(wǎng)索支護(hù)體系部分位置結(jié)構(gòu)失效，頂板出現(xiàn)明顯破壞。具體采面與空巷位置關(guān)系見圖1所示。

2采面過空巷時空巷頂板破壞分析

空巷掘進(jìn)支護(hù)完成一段時間后，圍巖應(yīng)力重新平衡，但是在采面超前采動壓力影響下圍巖變形破壞加速。根據(jù)以往研究成果，并結(jié)合現(xiàn)場實踐及工程類比，推演得出空巷頂板變形破壞過程，具體為：初始變形→彎曲離層→斷裂破壞→垮落破壞，具體變形過程見圖2。

具體空巷頂板變形破壞過程為漸變力學(xué)過程，巷道掘進(jìn)初期造成的圍巖初始變形難以有效控制;當(dāng)空巷頂板未出現(xiàn)離層時就應(yīng)積極采取措施避免頂板離層;若已發(fā)生離層則應(yīng)強(qiáng)化頂板巖層控制，避免頂板巖層從離層向斷裂甚至垮落破壞發(fā)展。因此，對于采面過走向空巷而言，空巷頂板巖層控制應(yīng)遵循及時支護(hù)原則，盡量減緩頂板變形破壞過程。

3現(xiàn)場應(yīng)用分析

3.1充填漿液配比確定

為了確保采面過空巷時頂板穩(wěn)定，采用充填方式提升巷道圍巖穩(wěn)定性。選用的高水充填材料抗壓強(qiáng)度可通過調(diào)整水灰比或添加外加劑調(diào)整，通過調(diào)整水灰比調(diào)節(jié)充填材料更為便捷，使用也最為廣泛。根據(jù)相關(guān)研究成果得到不同含水體積分?jǐn)?shù)下充填材料抗壓強(qiáng)度變化曲線，具體見圖3。

由于高水材料費(fèi)用較為昂貴，在滿足空巷控頂基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量提高水灰比，從而降低充填成本。在綜合分析空巷頂板控制及經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)上，提出以下4種水灰比方案（表2），并通過FLAC-3D對不同強(qiáng)度下的空巷頂板控制效果進(jìn)行分析，從而優(yōu)選出適應(yīng)礦井實際的充填材料水灰比。

具體不同充填體強(qiáng)度（水灰比）條件下的空巷頂板變形模擬情況見圖4。從圖中看出，相對于充填空巷，未充填時頂板下沉量增加顯著，空巷充填的高水材料可有效控制頂板變形。充填體強(qiáng)度由0.5MPa提升至1MPa時頂板下沉量由390mm降低至287mm;當(dāng)充填體強(qiáng)度由1MPa增加至2、3MPa時頂板下沉量分別降低至270mm、256mm，隨著強(qiáng)度增加空巷頂板支撐效果改善不明顯。

綜合分析，若不對空巷進(jìn)行充填，則空巷頂板在采動礦壓影響下會出現(xiàn)明顯下沉，當(dāng)采面推進(jìn)至空巷位置時不僅會增加采面推進(jìn)難度而且在架前空巷頂板極其容易出現(xiàn)冒落，因此，為了確保采面生產(chǎn)安全必須對空巷進(jìn)行充填。充填體強(qiáng)度1MPa、2MPa、3MPa時，充填體對空巷頂板控制效果均較為明顯，頂板下沉量均在290mm以內(nèi)。為了降低空巷充填成本，綜合空巷底板充填頂板控制效果，最終確定充填材料強(qiáng)度為1MPa，對應(yīng)的水灰比為8∶1。

3.2充填技術(shù)方案

將空巷分割個10個區(qū)段（每個區(qū)段25m）并從巷端依次向巷尾充填，具體充填技術(shù)方案見圖5。在空巷端頭位置采用充填帶（寬×高×厚=2.6m×4.8m×3m）構(gòu)建密封墻;待密封墻固結(jié)密實后，先采用密集單體對空巷頂板進(jìn)行支護(hù)，并在外側(cè)密封墻上布置充填孔進(jìn)行充填;依次從空巷端頭充填至空巷尾。

4效果分析

對采面空巷位置及空巷旁兩臺液壓支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測，通過分析支架工作阻力變化情況來分析空巷充填效果。整個監(jiān)測過程分三個階段，第一階段為采面距空巷前40m至采面推進(jìn)過空巷30m;第二階段為采面推進(jìn)過空巷100～160m;第三階段為采面推進(jìn)過空巷200m至出空巷。具體各階段液壓支架工作阻力變化監(jiān)測情況見圖6。

在采面進(jìn)入到空巷前在超前采動支承壓力影響下空巷頂板與充填體間空隙被逐漸壓實;隨后充填體在頂板壓力作用下與頂板一起呈現(xiàn)小范圍變形，但是頂板下沉量始終較小。在整個監(jiān)測期間液壓支架工作阻力變化均在150kN以內(nèi)，空巷頂板下沉量均在150mm以內(nèi)，對采面正常回采幾乎不造成影響，表明通過空巷充填可實現(xiàn)采面安全、平穩(wěn)過空巷。

5總結(jié)

文章對采面過空巷期間空巷頂板破壞過程進(jìn)行了時空演化分析，提出通過及時支護(hù)來降低空巷頂板變形對采面生產(chǎn)影響，并采用充填方式對空巷頂板進(jìn)行處理。

為了降低空巷充填成本，對不同強(qiáng)度（水灰比）下空巷頂板變形情況進(jìn)行分析，最終確定充填體強(qiáng)度為1MPa，水灰比為8∶1時，可確保采面過空巷安全，并詳細(xì)闡述了采面過空巷技術(shù)方案。

充填技術(shù)方案現(xiàn)場應(yīng)用后，液壓支架工作阻力變化在150kN以內(nèi)，空巷頂板平均下沉量在150mm，空巷幾乎不會對采面正常生產(chǎn)帶來影響。

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