充填支柱在大采高工作面過空巷支護的應用

馬晉元

（山西晉煤集團寺河礦，山西 晉城 048000）

由于過去在煤炭開采過程中工作面設計不合理、開挖探巷等原因，使得現(xiàn)有工作面在推進過程中遇到大量的空巷[1-2]。空巷年久失修，圍巖承載能力差，尤其在大采高工作面通過空巷時，頂板活動劇烈，使得空巷頂板下沉、冒落嚴重，常常會造成支架倒架和壓架事故，影響工作面安全回采[3]。目前晉煤集團寺河礦5301 大采高工作面在推進過程中遇到多條空巷，采用打木垛、煤壁超前注漿加固等支護方式已不能控制空巷嚴重變形，威脅工作面安全回采。對比采用改變工作面布置、加強老巷支護等傳統(tǒng)方式，充填支柱具備初撐能力大、操作簡便、泵送能力強以及便于采煤機回采的特點，能夠適用于空巷來壓快、來壓劇烈等支護需求，從而提高工作面過空巷的效率和安全性[4-5]。本文以寺河礦大采高工作面過空巷為工程背景，對大采高工作面充填支柱支護空巷技術(shù)展開研究，為相似工程提供參考依據(jù)。

1 工程概況

寺河礦5301 工作面為一次采全高綜采工作面，煤層平均厚度6.0 m，傾角2～8°，工作面傾斜長度296.3 m，推進長度1 549.5 m。煤層地面標高+550～+710 m，煤層底板標高+280～+345 m。基本頂為6 m 厚的細粒砂巖，直接頂為3.5 m 厚的粉砂巖，偽頂為0.6 m 厚的炭質(zhì)泥巖。5301 工作面在回采過程中需要通過四條空巷，具體空巷位置及工作面布置如圖1 所示。其中，5#和8#橫川空巷平行于工作面傾向，長度約為40 m；6#橫川空巷與工作面傾向夾角約45°，長度約49 m；另一條空巷53017巷垂直于工作面傾向，長度約為194 m。

圖1 空巷位置及工作面布置

2 空巷應力演化規(guī)律及支柱參數(shù)設計

在大采高工作面推進過程中，由于受超前支承壓力的影響，在空巷與工作面接近區(qū)域應力升高，造成空巷圍巖變形、破壞，在工作面過空巷時發(fā)生冒頂、煤壁片幫。因此，應研究工作面在推進過程中超前支承壓力影響下，空巷的應力變化規(guī)律，為空巷充填支柱支護參數(shù)設計、支柱時機等提供理論依據(jù)。

2.1 空巷應力演化規(guī)律

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬工作面在逐漸揭露空巷過程中超前支承壓力分布影響范圍，得出空巷受工作面推進影響下的應力分布規(guī)律。數(shù)值模擬得出從距離空巷100 m 處直至到達空巷位置時頂板應力變化曲線，如圖2 所示。

圖2 頂板應力隨工作面推進變化曲線

圖3 充填支柱結(jié)構(gòu)設計示意圖

從圖中可以看出，隨著工作面逐漸推進，空巷圍巖應力逐漸升高。在距離空巷10～20 m 處，頂板應力快速增長，來壓明顯；在距離空巷5 m 左右時，空巷頂板應力增長速率有所放緩，達到峰值并逐漸趨于穩(wěn)定。最大主應力為13.38 MPa，Z 方向應力為13.72 MPa。由此可以得出，在現(xiàn)有支護條件下，工作面在過空巷時無法保證回采工作的安全性，應采取充填支柱支護措施控制頂板圍巖變形，保證工作面安全通過空巷。

2.2 空巷充填支柱參數(shù)設計

（1）充填支柱高度、直徑確定

根據(jù)寺河礦地質(zhì)資料，空巷高度在4.5 m 左右。根據(jù)充填支柱應用經(jīng)驗，將充填支柱的直徑確定為1 m，高度確定為4.5 m，高度可隨空巷頂?shù)装鍡l件做出適當調(diào)整。

（2）充填支柱結(jié)構(gòu)設計

為保護充填支柱在不規(guī)則瞬間動壓的影響下不破壞，應在充填支柱上方設計有起接頂、讓壓作用的讓壓接頂層。讓壓接頂層強度應低于充填支柱承壓整體強度，在頂板來壓時，適當釋放頂板壓力，給予頂板活動空間，防止充填支柱整體破壞。根據(jù)現(xiàn)場施工條件及充填支柱尺寸，將讓壓接頂層高度設計為200～300 mm。支柱結(jié)構(gòu)設計示意圖如圖3所示。

3 充填支柱材料研發(fā)

工作面回采至空巷時，采煤機將空巷支柱與煤體直接回采。因此，為保證回采煤炭質(zhì)量，空巷充填支柱采用無機礦粉材料。充填支柱材料主要由硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、石膏以及其他增稠劑、調(diào)凝劑組成。硅酸鹽水泥主要保證充填支柱后期強度形成，硫鋁酸鹽水泥則提供較高的早期強度，在石膏的存在下，為水泥熟料提供快速反應條件。材料水灰比可調(diào)，能夠在0.8～2.0:1 范圍內(nèi)調(diào)整，簡化施工工藝，做到一種材料施工即能滿足充填支柱和讓壓接頂層的性能需求。充填支柱材料不同水灰比條件下抗壓性能見表1。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著水灰比的提高，充填材料的抗壓強度逐漸降低。根據(jù)現(xiàn)有支護經(jīng)驗，同時參考數(shù)值模擬結(jié)果，充填支柱的承載能力應不低于17 MPa。因此，為起到節(jié)約施工成本的目的，確定充填支柱的水灰比為1.0:1，其28 d 抗壓強度為18.36 MPa。讓壓接頂層強度應低于充填支柱整體強度，但仍要起到支護頂板的作用，因此讓壓接頂層水灰比確定為1.5:1，其28 d 強度12.53 MPa，在頂板來壓時受力變形，提供頂板一定活動空間，釋放頂板壓力。

表1 充填支柱材料不同水灰比條件下抗壓強度參數(shù)

4 工程應用及效果考察

4.1 充填支柱支護方案設計

根據(jù)寺河礦地質(zhì)資料，在三條橫川共計四條空巷布置充填支柱。

參考寺河礦空巷地質(zhì)條件和充填支柱應用經(jīng)驗，根據(jù)設計的支柱高度、直徑，將充填支柱在三條橫川空巷中的布置參數(shù)確定為：沿空巷走向布置兩排支柱，呈“三花”交錯布置，每排支柱間距1500 mm，排距1700 mm，距回采側(cè)煤壁500 mm，距另一側(cè)煤壁700 mm；53017 空巷充填支柱按照雙-單-雙布置，在巷道正中間布置一排支柱，在兩側(cè)對稱布置兩排支柱，兩側(cè)支柱距煤幫750 mm，支柱走向間距均為2500 mm，對稱兩排支柱間距為1500 mm。上述距離均為支柱邊緣間距離，具體布置如圖4 所示。

圖4 充填支柱布置示意圖

4.2 充填工藝

充填支柱材料為無機單液材料，泵送能力強，在施工過程中采用泵送的方式進行充填。按照充填支柱布置方案，在巷道頂板金屬網(wǎng)上懸掛支柱充填袋，同時利用木條均勻捆扎于充填袋四周，保證充填袋與頂?shù)装宕怪薄Ｖ筮M行充填支柱材料預制漿，漿液通過注漿泵泵送到充填位置附近，經(jīng)過三通分別泵送至兩個支柱充填袋內(nèi)，在一定程度上提高了施工的安全性和可控制性。

4.3 支護效果考察

在工作面推進到空巷附近時，為了考察充填支柱支護空巷效果，對工作面在揭露直至通過6#橫川空巷期間液壓支架支護阻力進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖5 所示。

圖5 過空巷期間支架工作阻力變化

從圖中可以看出，工作面在接近直至通過空巷期間，工作面支架工作阻力比較平穩(wěn)，過空巷期間呈略微下降趨勢，未出現(xiàn)異常增大現(xiàn)象。這表明空巷頂板得到有效控制，無頂板斷裂、冒落和壓架現(xiàn)象。工作面過空巷后，可能改變了工作面來壓步距，支架工作阻力有所上升，但均低于8000 kN，無異常現(xiàn)象。同時結(jié)合現(xiàn)場采煤機回采至空巷充填支柱時并未出現(xiàn)來壓過大、壓垮支柱的現(xiàn)象，表明支柱參數(shù)設計合理，能夠很好地控制空巷頂板變形，保證了工作面安全通過空巷。

5 結(jié)論

（1）利用數(shù)值模擬軟件研究了工作面接近空巷過程中空巷頂板應力變化規(guī)律，提出利用充填支柱支護控制空巷頂板支護技術(shù)措施，并依據(jù)地質(zhì)條件及模擬結(jié)果設計了充填支柱參數(shù)及結(jié)構(gòu)。

（2）根據(jù)充填支柱的性能需求，研發(fā)了水灰比可調(diào)范圍大的充填支柱材料，實現(xiàn)一種材料即可達到充填支柱和讓壓接頂層的性能需求。材料可泵送能力強，施工工藝操作簡便。

（3）空巷經(jīng)過充填支柱支護后，在工作面通過空巷期間，支架工作阻力比較平穩(wěn)，現(xiàn)場無充填支柱破壞現(xiàn)象。表明充填支柱參數(shù)設計合理，能夠控制頂板變形，保證工作面安全通過空巷。