淺談復采工作面充填過空巷回采技術

范江濤

(山西煤炭運銷集團 三元石窟煤業有限責任公司，山西 長治 046000)

煤炭是我國的主體能源，由于淺部煤炭資源儲量的減少，為了減緩煤礦向深部高應力區域發展，許多礦區開展了對舊式采煤方法殘留煤炭資源的二次開采工作，其中難點在長壁綜采回采過空巷時，特別是平行空巷的圍巖控制。馬占國等對多種采煤方法殘留煤柱的復采問題進行了研究，并建立了礦柱和采空區充填體共同支撐的彈性板柱的力學模型[1]；柏建彪等提出了空巷基本頂模型，研究了充填技術與支護參數[2]；杜科科等[3]研究了過空巷期間頂板運動規律和結構變化，并得出了等壓過空巷技術參數；楊榮明等[4]采用彈性地基梁模型分析出工作面在過空巷時老頂斷裂線位置。

1 研究背景

石窟煤業現對301采區巷道保護煤柱及邊角煤進行回收，布置30106復采工作面，30106煤柱回收工作面長度隨地質條件變化，煤層平均厚為6 m，工作面設計布置情況如圖1。復采區域位于井田的中西部，約0.13 km2，尚有剩余儲量約66萬t，在布置30106工作面過程中共發現主要空巷6條，通過對揭露的空巷現場調研及分析后發現，殘留空巷寬度一般在3.5～4.2 m，高度為2.7～3 m，局部空巷高度為6.0～7.0 m，多為矩斷面，空巷揭露情況見表1。

工作面回采實體煤時，回采空間受到基本頂周期性破斷斷裂塊形成的結構產生的保護作用。但如果復采工作面推進至回采工作面內平行空巷時，基本頂的破斷位置會前移至空巷前距實體煤較近巖層，破斷前懸頂加長，破斷后，由于煤柱產生破壞，支架前方容易造成切頂事故，支架工作阻力也隨破斷巖塊尺寸變大而增加，造成冒頂、支架壓架事故。

圖1 30106復采工作面布置及空巷揭露平面

表1 30106復采工作面空巷揭露匯總

2 復采工作面基本頂超前斷裂分析

由于空巷，煤柱與前方實體煤不存在相互水平作用力而導致失穩狀態。即使空巷寬度小，復采工作面也可能超前斷裂。所以建立如圖2所示模型，研究必然斷裂時的空巷寬度。

圖2 空巷臨界寬度力學分析模型

煤柱的失穩破壞發生在寬度W小于臨界失穩寬度W*，頂板巖層失去煤柱支撐力形成長度較大的懸臂梁結構，結構固支端剪切力、彎矩最大?；卷斣谄涔讨Ф说募羟辛?、彎矩由于頂板受力狀態的改變而增大。空巷寬度較大煤柱失穩，懸臂梁折斷時基本頂的懸臂長度lx大于等于其極限破斷步距l(即回采實體煤時周期來壓步距)，即Lx=lx+W+Ax>l。

因此，此時空巷寬度Ax

Ax≥l-lx-W*

(1)

式中：Ax為空巷寬度，m；l為回采實體煤時周期來壓步距，m；lx為復采工作面與上次周期斷裂線距離，m；W*為煤柱失穩臨界寬度。

其中煤柱失穩臨界尺寸用公式(2)計算:

(2)

式中:ρ為覆巖平均視密度，kg/m3；H為平均采深，m；σc為煤層單抽抗壓強度，MPa；g為重力加速度；M為采高；B為煤柱承載覆巖寬度，m，其中空巷上覆巖層覆巖一半和部分復采工作面基本頂結構與其上覆巖層的重量。其等效寬度為：

(3)

懸臂梁結構達到極限破斷步距和復采面與周期斷裂線距離最小時，這個寬度為超前斷裂的充分條件，即lx=0且Lx= l將上述條件及式(1)(3)代入公式(2)得：

(4)

式中：A0為空巷臨界寬度。

(5)

根據工作面頂板，運用RST采場礦壓分析軟件得l=12 m，將ρ=2 600 kg/m3，H=220 m，σc=19 000 kN/m2，l=12 m。

代入(4)式可得空巷臨界寬度A0為:

=4.114 m

超前斷裂出現在4.114 m寬的空巷時，結合表1可知當30106復采工作過平行空巷時必然引起超前斷裂。

3 充填空巷復采可行性分析

由表1分析可知，30106復采工作面過平行空巷時必然引起超前斷裂。如果采用充填材料將空巷充滿，使其基本恢復原巖狀態，則原本空巷的位置相當于由充填材料替換了煤體的正常工作面，使空巷與工作面之間的煤柱仍具較強承載能力，則不需要對空巷進行維護。利用FLAC3D軟件對30106工作面充填空巷復采可行性進行研究。

建立長×寬×高=250 m×220 m×70 m的模型，煤巖體采用莫爾-庫倫本構模型，液壓支架線彈性本構模型，重力g=-9.81 m/s2。模型限制底部、側面水平位移，上部應力邊界模擬覆巖載荷，進行一次平衡計算模擬開挖前狀態。利用Extrusion模塊輸入液壓支架關鍵點位并連接，劃分網格后生成液壓支架并導入模型開切眼內組合。地層模型如圖3，液壓支架模型如圖4。

圖3 地層模型

圖4 液壓支架模型

當推進至距空巷4 m，煤柱達到臨界尺寸失去對頂板的支撐力，此時支架阻力最大，此時圍巖關系及支架阻力分析如圖5、圖6。

對比圖5中(a)(c)可知，復采工作面距空巷4 m時，煤柱幾乎沒有應力集中區域表明煤柱基本失去承載能力，不同的是充填空巷支承壓力并沒有發生轉移，特別在空巷左側并未形成應力集中區域，這表明由于充填體的存在，使得煤柱在空巷側承受壓力減小，且由于側向約束的存在使得煤柱發生破壞的范圍減小。

圖5 復采工作面距空巷4 m時空巷充填與否圍巖關系對比

對比圖5中(b)(d)可知，復采工作面距空巷4 m時，空巷附近及煤柱圍巖基本全部發生塑性破壞，但充填空巷后支架上方塑性破壞基本維持在頂煤及直接頂處，并未發生超前破斷，由此可知充填空巷可以有效解決復采工作面過空巷超前破斷問題。

由圖6(a)(b)對比分析可知，空巷充填與否液壓支架前柱壓力大于后柱，表明復采工作面仍符合放頂煤開采的固有規律。但當復采工作面前方空巷被充填后，有效抑制超前斷裂的發生，當工作面距空巷4 m時，支架立柱油壓并未發生明顯增長，液壓支架立柱油壓最大值為25.4 MPa(四柱油壓均值，對應工作阻力4 220 kN)，此阻力小于礦井現有的ZF4800/17/33型放頂煤液壓支架，若不充填空巷，受到前方空巷影響工作面頂板發生超前破斷導致支架受力迅速增大，液壓支架立柱油壓最大值為30.7 MPa(四柱油壓均值，對應工作阻力5 101 kN)，此阻力大于礦井現有的ZF4800/17/33型放頂煤液壓支架，表明對空巷采取充填措施后使得現有支架能夠符合30106實際工況。

圖6 距空巷4 m時空巷充填與否支架應力對比

4 結 語

1) 通過建立力學模型，對復采工作面前方有平行空巷時進行受力分析，給出了考慮煤柱承載、復采工作面與上次周期斷裂線距離、周期來壓步距等影響因素的基本頂產生超前斷裂的充分條件。

2) 通過數值模擬分析了復采工作面的圍巖應力及塑性區分布，通過對比分析得出充填空巷能夠有效改善復采工作面圍巖受力情況。

3) 通過對支架的受力分析可知，當復采工作面前方空巷被充填后，能夠有效抑制超前斷裂的發生，證明了充填空巷復采的可行性。