西溝煤業3524工作面過空巷區圍巖控制技術研究與應用

尹俊丁

(山西陽城陽泰集團 西溝煤業有限公司，山西 陽城 048106)

1 工程概況

山西陽城陽泰集團西溝煤業有限公司3524工作面位于五采區南翼東部，近似沿煤層走向布置，工作面南至軌道大巷保護煤柱，東側為孫溝村保護煤柱，北接五采區巷道，西側為規劃的3526工作面，工作面開采3號煤層，面內殘留煤層厚度1.79～4.36 m，平均煤厚3.3 m，平均含有1層夾矸，煤層賦存穩定，煤層頂板巖層為泥巖和粉砂巖，底板巖層為砂質泥巖。工作面走向長度140 m，傾向長度589 m，工作面采用“一采一放”放煤工藝，機采高度為2.5 m，放煤高度為0～1.86 m，采放比為1∶0～0.74。

3524工作面為復采工作面，面內存在大量小窯巷柱式開采的舊巷和空區，現以工作面內靠近運輸巷處的一條空巷為研究背景，該空巷斷面為矩形，寬×高=4.5 m×5 m，巷道沿煤層底板掘進，空巷從工作面切眼處開始平行于運輸巷，空巷在70 m范圍內與運輸巷間的煤柱寬度不大于2 m，距端頭30 m范圍內有木垛支護，擬對空巷采用充填技術，確保工作面安全回采，具體空巷與工作面關系如圖1所示。

2 空巷圍巖變形模擬分析

3524工作面與空巷貫通前，工作面的空頂距會增大，且煤柱的承載能力也會大幅降低，進而造成工作面運輸巷頂板出現大面積的懸空現象，這會對工作面的安全回采和運輸巷圍巖的穩定造成嚴重的安全威脅[1-3]。為保障工作面的安全回采，有必要對空巷圍巖的變形規律進行分析。現采用FLAC3D數值模擬軟件，結合巷道特征建立長×寬×高=200 m×100 m×50 m的數值模型，根據空巷特征在模型中相應設置空巷，模型底部限制其豎直位移，模型兩側限制其水平位移，模型頂部施加等效自重荷載，模型中各巖層的力學參數根據地質條件進行賦值。

圖1 3524工作面內空巷位置平面

空巷與運輸巷間煤柱小于2 m的區域為工作面切眼前方70 m的范圍內，現根據數值模擬結果分別對空巷未充填時，工作面回采10 m、20 m、40 m和60 m時圍巖塑性區和位移分布進行分析。

1) 塑性區分布：根據數值模擬結果能夠得出工作面回采10 m、20 m、40 m和60 m時，空巷及運輸巷區域圍巖塑性區分布特征如圖2所示。

分析圖2可知，隨著3524工作面的向前推進，工作面內空巷及運輸巷區域圍巖的塑性區發育范圍呈現出先逐漸增大后趨于穩定的狀態。在工作面推進10 m時，圍巖運輸巷圍巖的破壞范圍為2 m，當工作面推進20 m時，圍巖塑性區的破壞范圍增大為3 m，隨著工作面的進一步回采，運輸巷區域的塑性區范圍基本保持不變。在工作面推進20 m時，運輸巷頂板開始出現張拉破壞，工作面內空巷區域的頂底板破壞形態與工作面區域頂底板的破壞形態抑制，空巷區域與運輸巷間煤柱的破壞主要以剪切-張拉破壞為主。

圖2 工作面回采空巷區域時空巷區域塑性區分布

2) 圍巖位移分布規律：根據數值模擬結果能夠得出工作面回采不同長度時，圍巖垂直位移分布云圖如圖3所示。

圖3 工作面回采不同長度時空巷區域垂直位移分布云圖

分析圖3可知，工作面回采期間，空巷及運輸巷的垂直位移主要體現在頂板下沉和底板鼓起上，運輸巷巷幫圍巖的變形以水平位移為主。從圖中能夠看出，工作面回采推進10 m時，空巷頂板下沉量和底板鼓起量分別為30～30.2 mm和10～13 mm，當工作面推進距離增大，空巷區域頂板下沉量及底板鼓起量也逐漸增大，最終工作面推進60 m時，頂板下沉量為150～200 mm，底板鼓起量為10～15 mm。

基于數值模擬結果同樣能夠得出工作面回采期間空巷和運輸巷區域圍巖水平位移，具體工作面回采時空巷及運輸巷區域圍巖垂直和水平位移量數據如表1所示。從表中能夠看出，工作面回采期間空巷的垂直位移遠大于運輸巷。由于空巷與煤柱間間距小，空巷另一幫為采空區，從而空巷一幫與運輸巷一幫的水平位移整體相近。

表1 工作面回采期間水平位移和垂直位移數值

綜合上述分析可知，3524工作面在空巷未充填時回采，運輸巷塑性破壞范圍在2～3 m，主要為張拉破壞。空巷與運輸巷間煤柱主要為“張拉-剪切” 破壞，回采期間空巷內的垂直位移量大于運輸巷道，兩者的水平位移量總體相近。

3 空巷充填技術方案及效果

3.1 空巷充填方案

1) 充填材料的確定：根據3524工作面及空巷的賦存情況，結合數值模擬結果可知，若3524工作面在不充填進行回采作業時，工作面端頭跨度大，會出現應力集中現象，容易發生頂板事故，且空巷內原有木垛支護無法有效控制圍巖變形，故采用充填技術。充填材料選取時主要考慮其早期強度和后期強度，充填材料所需的早期強度計算公式為[4-5]：

σ1=k1k2(0.03+γh)

(1)

式中：σ1為充填材料的早期強度；k1為安全系數，取1.5～2；k2為實驗室測定強度與現場試件強度比值，取1.1～1.3；h為直接頂厚度；γ為直接頂容重。3524工作面直接頂泥巖厚度為0.59 m，容重為1 980 kN/m3，分別取k1、k2為2、1.3，代入式(1)中能夠計算得出充填體的早期強度應大于0.1 MPa。

3524工作面空巷內充填體的主要支撐為泥巖和粉砂巖，巖層厚度為8.61 m，據此能夠計算得出充填體的承載強度為：

=0.59×0.019 8×0.020 5×8.02

=0.17 MPa

(2)

充填體的后期強度主要指材料膠結凝固28 d后所具備的強度，材料后期強度的計算公式為[6]：

σ2=K2(σ1+K1σh)=0.57 MPa

(3)

據此分析可知，3524工作面空巷內的充填材料在后期的理論強度應大于0.57 MPa。綜合上述分析，確定本次空巷充填采用新型無機膠凝材料，材料水灰比為1∶1.5，材料的總體配比為水∶A料∶B料∶發泡劑=1∶1.5∶0.12∶0.1。該種充填材料的初凝時間為15～25 min，發泡時間為8～10 min，膠結凝固后的強度在0.7～0.9 MPa。

2) 充填方案：空巷在進行充填作業前，首先進行木垛回收和止漿墻構筑，確保空巷內形成密閉空間，待空巷密閉空間形成后再通過分段充填的方式進行充填作業，具體方案如下：①木垛回收：在空巷靠近端頭部位30 m范圍內對井字木垛進行回收，每排木垛的間距為5 m，回收木垛后能夠保障充填質量，同時可確保工作面回采時的正常截割。②止漿墻構筑：在空巷充填起止兩端構筑止漿墻，止漿墻上釘上木板后再加蓋風筒，另外在運輸巷回采幫采用背板+紗布的方式進行封閉，具體止漿墻構筑方式見圖4。③分段充填：空巷充填采用分段充填方式，工作面內空巷段總長為70 m，劃分為4個區段進行充填作業。第一區段和第二區段的長度均為15 m，第三區段和第四區段的長度均為20 m。在注漿充填時，確保每區段內的一次充填高度不大于2 m，在同一空巷斷面內以從下向上的方式依次進行間隔充填，直至充填材料完全接頂，以此避免空巷底部漿液在上部漿液的重壓下出現發泡受阻，充分保障充填效果，具體分段充填如圖5所示。④充填工藝流程：空巷充填時采用ZBYSB210/9-18.5型液壓注漿泵，該泵的最高油壓為25 MPa，充填工藝主要包括充填準備工作、注漿充填和充填后的清洗整理工作，具體充填工藝流程如圖6所示。

圖4 空巷封閉方式布置示意

圖5 空巷分段充填方式示意

3.2 效果分析

空巷充填完畢后，3524工作面順利回采推進通過空巷區域，推過空巷區域期間工作面無大范圍的冒頂片幫現象出現，液壓支架無壓架現象，液壓支架工作阻力均處于正常狀態。另外從工作面過空巷期間的圍巖變形監測數據可知，工作面推進通過空巷區域時，運輸巷頂底板最大移近量為142 mm，兩幫移近量最大為95 mm，圍巖處于穩定狀態。

圖6 充填工藝流程

4 結 語

根據3524工作面及空巷具體特征，通過數值模擬分析空巷圍巖變形特征，得出運輸巷塑性破壞范圍在2～3 m，回采期間空巷內的垂直位移量大于運輸巷。基于數值模擬結果具體進行充填材料選取、充填方案設計，根據充填方案實施后的效果觀測可知，充填效果顯著，保障了工作面順利推進通過空巷區域。