2-208 工作面過空巷圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

李曜彤

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西霍州煤電集團辛置煤礦2-208 位于310 水平二采區(qū)軌道巷左側(cè)，為二采區(qū)系統(tǒng)巷道煤柱回收工作面，北面緊鄰二采區(qū)軌道巷、皮帶巷，南面距離二采區(qū)右翼皮帶巷110 m，西面距離二采區(qū)回風(fēng)巷25 m，東面距離2-202 工作面采空區(qū)最小間距為63 m。工作面開采2#煤層，煤層厚度為3.8～4.3 m，平均厚度4.1 m，煤層傾角為2°～6°，平均傾角為4°。煤層頂板巖層為泥巖、砂質(zhì)泥巖和K8 中細砂巖，底板巖層為泥巖和中砂巖。

2-208 工作面走向長度為175 m，傾斜長度為579.5 m，采用一次采全高采煤方法，采高3.8～4.3 m（平均4.1 m），循環(huán)進度為0.8 m，工作面支護選用ZY9000/24/45 型掩護式液壓支架。由于2-208 工作為煤柱回收工作面，工作面回采過程中遇到原有大巷聯(lián)絡(luò)巷，聯(lián)絡(luò)巷基本與工作面切眼相平行。現(xiàn)為保障工作面回采推進通過空巷期間的安全，擬采用空巷充填技術(shù)保障空巷圍巖穩(wěn)定。

2 空巷充填支護參數(shù)分析

現(xiàn)為保障2-208 工作面回采推進空巷期間圍巖的穩(wěn)定，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，進行空巷充填支護參數(shù)的分析，具體分析工作面回采時，工作面與空巷間煤柱的臨界安全寬度及空巷充填體的合理強度。

根據(jù)工作面頂?shù)装鍘r層賦存情況，結(jié)合工作面特征，建立長×寬×高=120 m×120 m×16.8 m的數(shù)值模型。固定模型底板及側(cè)邊的位移，在模型上方施加覆巖的自重載荷，模型采用摩爾庫倫準(zhǔn)則[1]，根據(jù)工作面頂板巖層力學(xué)特征進行各項參數(shù)的取值。具體以工作面推進通過空巷時進行模擬分析，模型建立時在工作面前方80 m 的位置處設(shè)置空巷，空巷斷面為長×寬=4.2 m×3.2 m。

（1）工作面與空巷間煤柱的臨界安全寬度分析

基于上述數(shù)值模擬模型，設(shè)置工作面回采至距離空巷20 m、15 m、10 m 和7 m 時，進行圍巖塑性區(qū)的分布特征的出圖分析，具體如圖1 所示。

圖1 工作面距空巷不同距離時圍巖塑性區(qū)發(fā)育特征圖

通過分析圖1 可知，在空巷未進行充填時，隨著空巷與工作面間距離的減小，煤柱塑性區(qū)逐漸發(fā)育，彈性核區(qū)逐漸減小。在煤柱寬度為15 m 時，此時煤柱局部出現(xiàn)塑性區(qū)貫通的情況，煤柱大部分區(qū)域未出現(xiàn)塑性破壞，具有一定的承載能力。在煤柱寬度為10 m 時，工作面與空巷間的煤柱已經(jīng)完全進入塑性狀態(tài)，且空巷上方巖層的塑性區(qū)也逐漸發(fā)育，此時由于工作面與空巷的煤柱寬度已經(jīng)達到臨界安全寬度，致使煤柱基本喪失了承載能力。在煤柱寬度為5 m 時，此時空巷上方及煤柱區(qū)域的塑性區(qū)進一步發(fā)育，煤柱處于失穩(wěn)狀態(tài)。

基于數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合上述分析能夠得出，工作面與空巷間臨界的煤柱寬度為10 m，即表明在進行充填作業(yè)時，需在工作面與空巷間的距離大于10 m 前完成。

（2）充填體強度分析

為合理確定充填體寬度，通過采前充填方式模擬空巷充填，設(shè)置充填體強度為2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa 和6 MPa。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出不同充填體強度下工作面回采時充填體壓縮性量和橫向變形量曲線圖，如圖2 所示。

圖2 充填體變形曲線圖

分析圖2 可知，隨著充填體強度的增大，工作面推進通過充填體時，充填體的壓縮量和橫向變形量均逐漸減小。充填體強度由2 MPa 增至3 MPa時，充填的壓縮量呈現(xiàn)為急劇下降的趨勢，充填體的橫向變形量也出現(xiàn)明顯的下降；當(dāng)充填體強度由3 MPa 增大為4 MPa 時，此時充填體壓縮量及橫向變形量的下降趨勢均逐漸變緩，其中壓縮量下降趨勢變緩較為明顯；充填體強度4 MPa 時，壓縮量和橫向變形量分別為0.22 m 和0.28 m；當(dāng)充填體強度大于4 MPa 時，此時隨著充填體強度的增大，壓縮量的降低量逐漸減小，橫向變形量的降低幅度也逐漸減小。這即表明充填體強度大于4 MPa 時，強度的增加對充填變形量的影響較小。

綜合上述分析可知，在充填體強度為4 MPa 時，充填體的變形量滿足回采使用要求。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 充填方案

（1）充填材料配比

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，要保障2-208 工作面順利通過空巷區(qū)域，需使充填體的強度達到4 MPa。綜合目前我國現(xiàn)有的充填材料，確定采用高水材料進行空巷充填。現(xiàn)為選取高水材料的合理水灰比，進行不同水灰比、不同養(yǎng)護時間下高水材料凝固體的強度試驗，根據(jù)試驗結(jié)果繪制出凝固體強度曲線，如圖3 所示。

圖3 不同水灰比、養(yǎng)護時間下凝固體強度曲線圖

分析圖3 可知，當(dāng)養(yǎng)護時間相同時，隨著高水材料水灰比的增大，材料凝固體的強度會逐漸減小。在水灰比為0.5 時，此時凝固體在養(yǎng)護2 h 時的強度能夠達到24.2 MPa；當(dāng)水灰比為7.0 時，此時凝固體養(yǎng)護2 h 的強度僅為2.4 MPa。另外從圖中能夠看出，高水材料在相同水灰比下，凝固體的強度隨著養(yǎng)護時間的增長而逐漸增大。

結(jié)合上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，空巷充填體的寬度需達到4 MPa，故綜合確定高水材料的水灰比為4:1。

（2）充填方法

根據(jù)2-208 工作面內(nèi)空巷的具體特征，確定采用全袋式充填法進行充填作業(yè)。在空巷內(nèi)部全部布置充填袋，隨后再在袋內(nèi)充填材料，當(dāng)漿液凝固后，即能夠?qū)ι细矌r層起到支撐作用。本次一次充填寬度為2 m。具體全袋式充填法如圖4 所示。

圖4 全袋式充填法示意圖

3.2 工作面調(diào)斜方案

在工作面推進通過空巷區(qū)域時，將工作面調(diào)斜一定的角度，以充分降低工作面液壓支架所承受的壓力[2-3]。工作面調(diào)斜需要進入空巷前完成。工作面調(diào)斜如圖5 所示。

圖5 工作面調(diào)斜示意圖

圖5 中的工作面調(diào)斜角度主要由空巷的寬度和長度決定，具體工作面調(diào)斜角度θ 表達式為：

式中：b 為空巷的寬度，m；L 為空巷的長度，m。根據(jù)2-208 工作面內(nèi)空巷的賦存情況，空巷的寬度基本在5 m，長度最長為120 m，據(jù)此能夠計算得出2-208 工作面通過空巷時的調(diào)斜角度θ=22.6°。

3.2 效果分析

為分析空巷充填效果，在工作面推進通過空巷區(qū)域時進行液壓支架壓力的監(jiān)測作業(yè)，ZY9000/24/45 型掩護式液壓支架額定工作阻力為9000 kN（35.8 MPa）。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果繪制出支架壓力與工作面距空巷距離曲線，如圖6 所示。

圖6 工作面過空巷期間液壓支架曲線圖

分析圖6 可知，當(dāng)工作面推進至距離空巷50 m時，液壓支架的工作阻力開始逐漸增大，當(dāng)工作面與空巷間的距離小于20 m 時，支架的工作阻力開始大范圍的增大。液壓支架的最大工作阻力在工作面推進至空巷位置時達到最大值，為35.4 MPa，與支架額定工作阻力之間仍有1.1%的富裕系數(shù)。且工作面回采過程中，煤壁無片幫現(xiàn)象，支架受力正常，無壓架現(xiàn)象出現(xiàn)。

4 結(jié)論

根據(jù)2-208 工作面及空巷賦存特征，通過數(shù)值模擬確定工作面與空巷間臨界的煤柱寬度為10 m，充填時充填體的強度應(yīng)達到4 MPa。基于數(shù)值模擬結(jié)果，進行空巷充填方案的設(shè)計，設(shè)置工作面調(diào)斜通過空巷區(qū)域，調(diào)斜角度為22.6°。根據(jù)工作推進過空巷期間的支架工作曲線可知，空巷區(qū)域圍巖控制效果良好。