綜采工作面過空巷高水速凝材料充填技術應用

蘇 偉

（霍州煤電集團晉北煤業有限公司，山西 忻州 035100）

1 工程概況

霍州煤電集團晉北煤業公司現開采5上#煤，該煤層穩定，煤層厚度平均為2.82 m，結構為：1.63（0.47）0.72。煤層整體呈一復式背斜構造，S1背斜軸向為146°，S2 向斜軸向為167°，S3 背斜軸向為174°，S4 向斜軸向為97°，煤巖層傾角為1°～5°，平均3°。5-103工作面地質構造情況復雜，進風巷、回風巷、內錯尾巷及開切眼巷道掘進期間共揭露32 條斷層、1 個陷落柱及4 個褶曲構造，地質構造對工作面回采影響較大。

5-103 工作面走向長度220 m，傾向長壁一次性采全高的采煤方法。5-103 工作面范圍內有三條空巷，空巷受到工作面回采動壓影響，圍巖易發生嚴重的變形破壞，將影響綜采工作面的推進效率和安全性，需對空巷采取適當加固措施。5-103 工作面空巷分布如圖1。

圖1 5-103 工作面空巷分布平面圖

以尾巷下料巷為例，掘巷毛斷面寬、高為3.8 m、2.8 m，其原有支護方式為錨網索聯合支護，空巷總長度為219 m。原支護詳情：頂錨桿直徑20 mm、長度2400 mm，間排距800 mm；幫錨桿直徑18 mm、長度2000 mm，間排距800 mm；錨索直徑17.8 mm、長度6300 mm，排距2400 mm，每排兩根，間距1600 mm。緊貼頂幫鋪設一層菱形網，網與網間用聯網絲（16#鉛絲制作）聯接，每隔120 mm 聯一道，搭接長度為100 mm。

2 采動影響空巷圍巖破壞特征

為論證5-103 工作面過空巷期間采取相關加固措施的必要性，以綜采工作面過尾巷下料巷為例，運用UDEC 計算機模擬分析軟件建立模型，進行工作面過空巷過程的仿真模擬。模型長、高=300 m、60 m，空巷尺寸寬、高=3.8 m、2.8 m，模擬計算中的煤巖體塊采用Mohr-Coulomb 模型[1]，模型頂部埋深取100 m，等效載荷2.5 MPa，工作面采高3.0 m，每次開挖長度1.0 m，空巷位于距模型右側邊界60 m 處，工作面由距模型左側邊界80 m 首次開挖。結合數值模擬結果整理得到圍巖典型的破壞特征如圖2。

圖2 三維數值模型

工作面與空巷距離小于15 m 后，頂板巖層破壞范圍及超前工作面距離明顯增大，直接頂巖層破碎更為嚴重，煤壁塑性破壞深度較大，片幫風險增大；當工作面與空巷距離為10 m 時，工作面與空巷間實體煤壁全部出現塑性破壞，煤壁對于覆巖的支撐能力下降，工作面頂板下沉量、煤壁內移量均顯著增大；隨著綜采工作面與空巷間距離的減小，空巷圍巖塑性破壞深度和面積逐漸增大，表面變形量也同步增大，空巷圍巖極有可能發生大面積垮塌，致使工作面無法繼續向前推進。在數值模擬計算模型中的回采工作面布置測線，監測此處液壓支架的受力，整理得到表1 所示的模擬結果。5-103 工作面液壓支架型號為ZY12000/30/68D 型，額定工作阻力37.3 MPa。隨著工作面與空巷間距離由20 m逐漸減小至10 m，液壓支架載荷逐漸增大，推進至距空巷10 m 左右時，液壓支架載荷基本開始接近甚至超出支架的額定工作阻力。由此說明，工作面過空巷期間，隨著與空巷距離的減小，工作面發生壓架、端面冒頂的概率顯著增大，影響工作面的安全高效生產，空巷圍巖也將失穩冒落，導致工作面無法通過空巷區域，因此必須采取可靠的加固措施，既能防止空巷圍巖失穩又能保證工作面載荷不會過大。

表1 工作面推進至空巷附近時液壓支架受力模擬結果

3 綜采工作面過空巷高水材料充填技術

晉神能源沙坪煤礦18201 工作面通過采用木垛支護方式順利通過高×寬為2.5 m×6 m 矩形空巷；西山煤礦總公司馬蘭礦10316 工作面采用施工錨索、錨桿配合點柱施工的方式，工作面順利通過空巷；靖遠煤業集團紅會四礦4701 綜放工作面采用架設木垛再充填礦渣的方式順利通過空巷區域。總結分析其應用實踐經驗表明[2-4]，采用木垛、錨網索等補強支護方案對空巷圍巖控制效果良好，但是無法有效抑制工作面頂板的破碎及液壓支架載荷的增大，工作面仍存在較大的壓架、冒頂風險；通過木垛+充填礦渣的手段對工作面維護效果良好，但是施工工序繁瑣、工期長。據此提出采用高水材料進行空巷充填支護的技術工藝。考慮到5-103 綜采工作面過空巷的施工條件，設計充填體的長度為8 m，充填段起止兩側需打設止漿墻，墻厚度約為0.5 m，充填體寬度和高度與空巷斷面相同，充填高水材料水灰比為2.25:1。充填段及充填管路布置詳情如圖3。

圖3 高水材料充填技術示意圖

4 應用效果綜合評價

4.1 液壓支架載荷變化

5-103 工作面回采期間采用YHY-604 液壓支架測力儀監測支架受力情況，以工作面中部的61#～63#支架載荷數據平均值為例，繪制得到工作面過空巷期間支架載荷的變化曲線如圖4。與空巷距離大于20 m 時，支架載荷穩定在29.4～29.6 MPa；與空巷距離為20 m～-20 m 期間，液壓支架載荷變化曲線呈單峰變化規律，最大峰值為30.5 MPa，增大幅度僅為4.1%，最大載荷遠小于液壓支架的額定載荷；工作面推過空巷區域后，支架載荷繼續穩定在29.4～29.5 MPa。由此說明，工作面過空巷期間，支架載荷未出現過度的增大，高水材料充填加固效果良好，能夠保障工作面快速地通過空巷區域。

圖4 過空巷期間液壓支架載荷

4.2 空巷維護情況

工作面接近空巷時，煤壁較為破碎，局部出現輕微的剝落，但未出現大面積片幫現象，高水材料充填體對空巷圍巖控制效果良好，空巷斷面縮減不明顯。工作面揭露空巷時，充填體完整性良好，未出現片幫現象，采煤機切割充填體順利，頂板未出現冒落現象，充填體表現出的塑性變形、讓壓性能，有效保障了工作面安全快速通過空巷區域。

5 結論

晉北煤業5上#煤層一采區采用單翼布置方式后，工作面需通過平行空巷。通過UDEC 軟件模擬研究表明，不采取任何加固措施條件下，過空巷期間綜采工作面壓架、端頭冒頂危險性顯著增大，煤壁破碎嚴重易片幫，空巷失穩變形嚴重，導致工作面無法通過空巷區域。總結類似地質條件下過空巷的實踐案例，設計采用高水速凝材料充填技術進行空巷的加固，設計具體的施工工藝及方案。工程實踐過空巷階段，液壓支架載荷增幅僅為4.1%，工作面未出現壓架、冒頂、片幫等事故，空巷維護效果良好，實現了工作面安全高效通過空巷區域，可在類似條件下推廣使用。