大采高工作面支柱支護過空巷技術

李云崗

（晉能控股煤業集團寺河礦，山西 晉城 048000）

1 概況

成莊礦5314大采高工作面切眼長356 m，由于工作面部分區域地表為村莊，原設計正常回采約438 m后將進行甩刀把作業，工作面切眼長縮為167.5 m，回采約661 m后切眼長度重新倒為356.4 m，如圖1。但后來計劃調整，對地面村莊進行了搬遷，不再進行甩刀把作業，工作面需全部回采。原設計工作面內部存在多條巷道和聯絡巷形成空巷，空巷長度長、斷面大，若不采取措施，極易在工作面通過時造成頂板失穩、支架壓架等安全事故[1]。

2 工作面空巷分布、類型及特征

原設計工作面中的巷道在工作面推進過程中即成為空巷，嚴重影響工作面的正常推進。該工作面空巷的類型及特征主要表現為以下幾個方面：

（1）巷道長度長，斷面尺寸大。空巷長度24～661 m，空巷斷面高度3.8～4.6 m，空巷斷面寬度5.0～8.5 m。

（2）存在平行于工作面傾向的空巷，巷道承受壓力大。從工作面巷道布置平面圖1中可以看出，53146巷部分段、對接切眼以及聯絡巷均為平行于工作面傾向布置，其中對接切眼斷面尺寸最大（8.5 m×3.8 m，局部高4.6 m）。工作面推近至此類空巷前方時，巷道將整體承受工作面超前支承壓力的影響作用，對巷道整體穩定性造成極大的威脅。

圖1 工作面及內部空巷布置

（3）工作面采高6.0 m，傾向長度356 m，工作面長度增加后，采場礦壓顯現特征必然更加明顯，無論是對采煤工藝、工作面支架選型，還是巷道支護水平等都提出了較大挑戰，對空巷造成的壓力影響也必然增大。

（4）空巷跨度較大，在空巷前方避不開工作面周期來壓顯現，再加上大斷面空巷周圍較高的應力集中，疊加應力作用致使煤壁破碎、頂板漏頂，從而延緩工作面進入空巷速度，造成空巷內壓力更大[2]。

3 支柱支護過空巷技術

3.1 支柱支護技術特點

充填支柱支護是一種巷旁支護技術，其特點是初撐力大，具有一定的讓壓變形能力和較高的殘余支撐強度。其支撐力可以根據需要設計成一般支撐力（單個柱子）為100～200 t、中高級支撐力為200～400 t、高級支撐力為400～1000 t以上。充填支柱可以設計為單層充填體或雙層充填體（上部300～500 mm設計為膨脹讓壓層，讓壓變形量約100～200 mm），符合現代礦井“讓-抗”支護理論，可以適應礦壓較大的巷道變形控制和軟巖巷道變形的控制，控制巷道底鼓，保證巷道的支護能力，對煤礦井下過空巷、廢巷、小窯區等具有非常好的針對性[3-4]。

3.2 支柱支護技術效果模擬分析

通過數值模擬軟件FLAC3D對支柱支護技術過空巷效果進行分析，模擬計算結果從圖2中可以看出，當工作面與空巷貫通時，在沒有布置充填支柱的情況下，兩側圍巖中的應力集中系數較大，約為2.6，圍巖破壞程度較為嚴重，其中工作面頂板巖層中的塑性破壞范圍延伸至4 m，工作面底板巖層中的塑性破壞范圍延伸至3 m。當空巷內布置了充填支柱后，采空區域的兩側圍巖體中應力集中系數有所減小，降低為2.4。支柱對巷道頂底板起到了較好的支護作用，圍巖破壞程度有所降低，頂板巖層中的塑性破壞范圍最大為3 m，呈拱形分布，且在支柱上方塑性破壞明顯降低，底板巖層中的塑性破壞范圍也明顯減小。從圖中還可以看出，支柱內部出現了較大范圍的塑性破壞，但是破壞狀態多為正在發生的剪切破壞和拉伸破壞，說明支柱在工作面貫通過程中能夠保持一定的完整性和承載性能，但需采取快速通過、工作面調斜、煤巖體補強等合理措施。

圖2 開挖空巷及工作面后煤巖體塑性區云圖

3.3 支柱支護方案設計

通過上述分析可知，支柱支護技術對5314工作面過空巷有非常好的適應性，其具體方案設計如下：按照巷道走向方向每排布置兩個支柱，每排之間距離（邊對邊距離）為1.5 m。支柱與回采側煤幫距離約為1.0 m，巷道中段共布置178根支柱，支柱直徑1.0 m，高度4.1 m。支柱布置示意圖如圖3。

圖3 支柱布置示意圖（m）

空巷支柱充填系統：充填系統如圖4，由2臺定容水箱、2臺高速攪拌機、2個盛漿桶、1臺注漿充填泵及相關管路連接組成。

圖4 支柱充填系統示意圖

4 應用效果

采用支柱支護過空巷方案后，避免了搬家倒面、調整工作面采高等一系列復雜工序，降低了工人勞動強度，提高了工作效率。空巷圍巖變形主要表現為底鼓，距離工作面5 m內底鼓速度加快，最大底鼓量達到831 mm，最大頂板下沉量469 mm，兩幫收縮量最大313 mm，整體狀況良好，未對生產造成影響，工作面順利通過空巷，應用效果較好，為類似工程問題的解決提供了新的手段。