楊育君

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司一礦，山西 陽泉 045008)

0 引言

采煤工作面推進(jìn)前方出現(xiàn)空巷時，工作面煤壁與空巷之間煤體已在超前支承壓力作用下呈現(xiàn)破碎狀態(tài)，煤柱難以起到切頂作用，導(dǎo)致周期來壓步距增大，造成工作面頂板壓力急劇增大，工作面頂板變形增加，煤壁片幫、冒頂?shù)?。為?shí)現(xiàn)工作面正?；夭桑酶咚涮罘ǔ涮羁障?，提高老頂?shù)那许斈芰Γ３謥韷翰骄嗷静蛔儯瑢?shí)現(xiàn)了工作面正?；夭伞?/p>

1 工程背景及空巷概況

1.1 工程背景

15#煤三采區(qū)原設(shè)計為雙翼采區(qū)，采區(qū)準(zhǔn)備巷道沿采區(qū)中部南北向布置，東西兩翼布置回采工作面。設(shè)計工作面走向長度800～1 366 m，工作面長180～200 m，回采工藝為綜采放頂煤開采。根據(jù)集團(tuán)公司現(xiàn)代化礦井建設(shè)要求，決定在三采區(qū)試驗(yàn)大采高綜采，并將采區(qū)準(zhǔn)備巷兩翼工作面合并，合并后工作面走向長約2 800～3 000 m，同時在采區(qū)邊界新補(bǔ)采區(qū)輔助準(zhǔn)備巷。東西兩翼工作面合并為一個工作面，導(dǎo)致每個工作面回采期間必須通過原采區(qū)四條準(zhǔn)備巷及各類系統(tǒng)巷，回采困難。

1.2 工程地質(zhì)及空巷概況

空巷所在S8303工作面煤層厚度5.9～6.66 m，平均6 m，煤層傾角1°～9°，平均4°，f=2～3，埋深607～716 m。直接頂為黑色泥巖，平均厚度1.17 m，老頂為深灰色石灰?guī)r，平均厚度13.30 m，直接底為黑色泥巖，平均厚度5.84 m；老底為灰白色細(xì)砂巖，平均厚度4.8 m。

工作面回采至中部需過一條輔助下料巷和4條準(zhǔn)備巷，合計長度1 090 m。5條巷道垂直于工作面走向布置，沿15#煤上層挑直接頂掘進(jìn)，支護(hù)均采用雙錨掛網(wǎng)支護(hù)，依次分別為①下料巷(長×寬×高)：220 m×3.8 m×2.5 m；②采區(qū)西副巷(長×寬×高)：220 m×3.8 m×2.9 m；③采區(qū)皮帶巷(長×寬×高)：220 m×3.8 m×2.9 m；④采區(qū)軌道巷(長×寬×高)：215 m×4.2 m×3.8 m；⑤采區(qū)東副巷(長×寬×高)：215 m×3.8 m×2.9 m。

2 過空巷期間礦壓分析及支護(hù)方案

2.1 過空巷期間礦壓分析

當(dāng)S8303工作面正常推進(jìn)時，頂板斷裂模型可視為梁或板結(jié)構(gòu)，工作面發(fā)生初次來壓和周期來壓后，上方老頂斷裂后，巖塊相互鉸合形成砌體梁結(jié)構(gòu)，如圖1所示。根據(jù)模型進(jìn)行圍巖受力分析后，發(fā)現(xiàn)支架的受力狀況主要取決于塊體Ⅱ的活動規(guī)律，巖塊Ⅱ的長度即為工作面老頂周期的來壓步距。但工作面前方如存在空巷，工作面推進(jìn)到空巷附近，主要頂板達(dá)到周期來壓步距時，由于工作面煤壁與空巷之間煤體已在超前支承壓力作用下進(jìn)入破碎狀態(tài)，煤柱難以起到切頂作用，因此，主要頂板的懸臂長度不會按周期來壓步距斷裂，同時空巷在掘進(jìn)后導(dǎo)致的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化過程(由三維向二維轉(zhuǎn)化)中巷道巖體大范圍破壞，巷道軸向約束雖未因開挖而產(chǎn)生較大改變，這就導(dǎo)致了破裂巖體向巷內(nèi)自由面變形，破裂后圍巖主要受結(jié)構(gòu)面控制，表現(xiàn)為沿結(jié)構(gòu)面向低約束方向的滑移，另一方面空巷破裂巖體在低圍壓下強(qiáng)度低、變形大，對深部圍巖的約束壓力也較小，高地應(yīng)力或動壓作用下深部巖體進(jìn)一步破壞，形成漸進(jìn)破壞的動態(tài)循環(huán)，在3種應(yīng)力因素共同作用下，此處老頂巖塊Ⅱ的長度遠(yuǎn)大于正常周期來壓步距，進(jìn)而造成工作面頂板來壓急劇上升，工作面頂板變形大大增加，煤壁片幫、冒頂加大。

1-空巷；2-支架；3-煤炭；4-直接頂；5-老頂圖1 工作面過空巷期間圍巖受力模型

2.2 過空巷的支護(hù)方案

根據(jù)理論分析，為了減小工作面上方頂板變形破壞，提高頂板自身承載能力，保證工作面回采期間正常通過空巷。應(yīng)采取縮短周期來壓步距，降低礦山壓力作用，從而保證來壓步距保持正常值或縮短來壓步距，因而要求對煤層上方老頂進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，從而提高對老頂?shù)那许斈芰?，或者對空巷進(jìn)行充填，使得空巷在充填后接近原始三相應(yīng)力狀態(tài)，從而保證在回采期間正常切頂，保持來壓步距基本不變，礦山壓力穩(wěn)定作用。同時考慮到后續(xù)工作面過空巷工程的經(jīng)濟(jì)合理性和安全性，應(yīng)對傳統(tǒng)過空巷經(jīng)濟(jì)參數(shù)和新工藝各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)參數(shù)進(jìn)行分析對比，確定高水充填工程施工經(jīng)濟(jì)合理性、先進(jìn)性、安全性。

方法一：采用高水充填法。其原理為通過向空巷中注入水泥漿材料，將原空巷恢復(fù)到實(shí)體三相應(yīng)力狀態(tài)，控制頂板變形破壞，保證回采正常通過空巷。

方法二：采用錨索補(bǔ)強(qiáng)+批木垛的方法支護(hù)空巷頂板，控制頂板變形破壞，保證回采正常通過空巷。

實(shí)施地點(diǎn)：施工方案以方案一為主方案，對空巷中的下料巷、皮帶巷、東副巷采用高水充填；方案二作為對比方案，在西副巷內(nèi)采用錨索補(bǔ)強(qiáng)+批木垛的方法支護(hù)空巷頂板。

3 高水充填空巷主方案

3.1 高水材料

注漿材料選用高水速凝材料。高水材料是一種能在高水灰比條件(W/C=1.3∶1～3∶1)下快充填結(jié)的特種水泥，是中礦大承擔(dān)的國家“七五”、“八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目的研究成果。為使用方便，高水材料分甲料、乙料兩部分，按1∶1的比例配合使用。甲料、乙料單獨(dú)與水混合24 h不凝結(jié)，為避免管路堵塞和一定條件下不沖洗管路創(chuàng)造了條件，而甲料漿和乙料漿一旦相互混合則快速充填結(jié)硬化。

3.2 充填工藝

工藝流程：高水材料充填包括充填泵站(為便于高水材料運(yùn)輸，泵站盡量布置在設(shè)有軌道的大巷)與充填點(diǎn)兩部分，其基本工藝流程如圖2所示。

砌筑閉墻：為防止?jié){液流動，保證充填空間充填密實(shí)，充填段起止兩側(cè)需打設(shè)閉墻。閉墻可由木立柱釘上木板并內(nèi)側(cè)襯一層風(fēng)筒布構(gòu)成，同時兩端伸入煤幫穩(wěn)定處，并有不少于4根圓木將木板背實(shí)靠牢，頂部和兩側(cè)伸入煤幫200 mm。

管路安放：為保證空巷充填密實(shí)，將待充填的空巷分段后，在每段空巷內(nèi)可以再分段施工。如圖3所示，若左側(cè)止?jié){墻位于最低處，則將混合管1(管路不回收，可使用普通膠管)綁定在分段巷道中間的頂板上。待前段充填將要結(jié)束時，再將甲乙兩組輸漿管通過三通與混合管2連接。

圖2 充填工藝流程圖

圖3 充填管路布置示意圖

配料制漿：制漿是充填過程中的一個重要環(huán)節(jié)，包括向攪拌桶內(nèi)加水、加料、攪拌等步驟。

泵送充填：在雙液注漿泵和管路連接好后，先用清水試泵，待注漿泵工作正常并且管路連接不漏后，可以將泵連接兩個攪拌桶，通過每組管路分別將甲、乙料送至充填位置附近。

3.3 高水充填基本要求

為實(shí)現(xiàn)S8303工作面安全開采，保證在回采工作面超前支承壓力作用下，各空巷頂板不發(fā)生冒落，需要充填體及充填過程具備以下特點(diǎn)：①將需充填的空間充滿、保證接頂；②充填體有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，有效支撐頂板，且后期在壓力作用下可以有較大的塑性變形；③快速充填，減少充填施工時間；④充填工藝簡單，充填系統(tǒng)易于操作。

采用高水充填材料充填空巷可以滿足以上要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，參考以往的工程實(shí)踐，綜合考慮井下施工條件、工作面超前支承應(yīng)力的作用效果、漿液固結(jié)強(qiáng)度及材料消耗等因素，確定漿液的水灰比為7∶1。充填施工時高水充填材料兩組分別加水?dāng)嚢栊纬杉琢蠞{、乙料漿，2ZBYSB430-135/3～10-55型雙液注漿泵分別對2種漿液加壓，雙趟高壓管路輸送漿液，在預(yù)定充填位置混合、凝固。

為提高接頂質(zhì)量，保證充填效果，采用分段式充填，該充填方式主要工序?yàn)椋孩俑鶕?jù)巷道的具體條件，將待充填的巷道分為若干個充填區(qū)域，每個區(qū)域構(gòu)筑閉墻；②將高水充填材料充入封閉空間，如此循環(huán)作業(yè)。如圖4所示，在構(gòu)筑閉墻時，先不進(jìn)行封閉，以便于輸送充填漿液，同時便于查看充填情況，隨著充填液面逐步升高，逐步加高閉墻直至封閉。

圖4 分段式充填巷道示意圖

4 過空巷期間礦壓觀測及參數(shù)分析

為監(jiān)測采用高水材料充填方式支護(hù)的下料巷和采用木垛支護(hù)的西副巷期間的壓力變化情況，設(shè)置了工作面液壓支架測站，巷道深部圍巖位移采用深基點(diǎn)位移計進(jìn)行監(jiān)測。從空巷移近變形量、支架受力分析、圍巖深部基點(diǎn)監(jiān)測方面進(jìn)行礦壓分析。

4.1 空巷移近變形量

西副巷頂?shù)装寮皟蓭鸵平枯^大，下料巷變形量較小。當(dāng)工作面與空巷之間的距離<15 m時，尤其是<10 m以后，頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏匡@著增大。采用高水材料充填空巷的效果比采用木垛支護(hù)空巷的效果好，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平恐挥心径庵ёo(hù)的50%，兩幫移近量從木垛支護(hù)的80 mm降低到39 mm，頂?shù)装逡平恳矎哪径庵ёo(hù)的最大 99 mm降低到了51 mm，充填支護(hù)效果十分明顯。

4.2 工作面液壓支架受力分析

工作面距空巷距離>40 m時，工作面支架平均工作阻力在34.3 MPa左右。當(dāng)工作面與空巷之間的距離為20～40 m時，工作面阻力有所增加，當(dāng)工作面距空巷水平距離<20 m時，工作面液壓支架支護(hù)阻力最大達(dá)到39～40 MPa，下料巷液壓支架壓力比西副巷小7 MPa左右，工作面經(jīng)過空巷后，壓力又恢復(fù)到正常值，說明采用充填過空巷的效果較好，能夠快速安全通過空巷。

4.3 圍巖深基點(diǎn)位移監(jiān)測

巷道兩幫0～2 m范圍內(nèi)淺部圍巖活動較為劇烈，主要因?yàn)闇\部圍巖由塑性區(qū)轉(zhuǎn)化為破碎區(qū)，在頂板應(yīng)力作用下向巷內(nèi)位移，圍巖位移趨勢幾乎一致。相比于高水材料充填方式下的下料巷，木垛支護(hù)的西副巷圍巖活動更為劇烈，位移量增大，且圍巖活動穩(wěn)定時間較下料巷長，主要原因?yàn)橄铝舷锔咚牧铣涮铙w對頂板形成主要支撐，圍巖持續(xù)變形，穩(wěn)定時間長。

5 結(jié)語

綜采工作面過廢棄空巷一直是煤炭資源開采過程中的技術(shù)難題，深埋煤層中由于空巷的存在使空巷周圍出現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)力分布，造成工作面支架受力大，煤壁片幫、冒頂嚴(yán)重，巷道圍巖表面變形量大等問題，嚴(yán)重影響了煤礦的安全，制約了煤炭資源的高效開采。現(xiàn)通過高水充填法過大采高綜采工作面空巷在一礦S8303工作面的成功應(yīng)用，證明了高水充填過空巷技術(shù)是一種推進(jìn)速度快、安全性高、經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)，為大采高工作面安全通過空巷提出了新的技術(shù)路徑，不僅解決了綜采工作面過廢棄空巷這一技術(shù)難題，而且對陽泉礦區(qū)及其他礦區(qū)推廣大采高工作面過空巷快速技術(shù)和現(xiàn)代化礦井建設(shè)都將產(chǎn)生積極的影響。