李俊堂

(山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司， 山西 呂梁市 033000)

隨著我國(guó)煤炭技術(shù)的不斷進(jìn)步，相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)也隨之增加，“十三五”期間我國(guó)對(duì)于現(xiàn)代化礦井建設(shè)的總體要求為提高煤炭資源采收率、實(shí)現(xiàn)煤礦高效安全生產(chǎn)，而我國(guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，由于某些巷道構(gòu)筑在本煤層工作面之中、礦井不同歷史階段擴(kuò)建以及歷史上小窯區(qū)亂開亂采等因素，導(dǎo)致眾多礦井存在工作面過空巷、廢巷以及老窯區(qū)問題。當(dāng)工作面在通過這些空巷、廢巷以及老窯區(qū)時(shí)，常常出現(xiàn)頂板超前壓力增大，同時(shí)發(fā)生較嚴(yán)重的下沉問題，空巷頂?shù)装逡平孔兇?，甚至發(fā)生壓架、倒架等嚴(yán)重問題，影響工作面的正?；夭?，對(duì)煤礦高產(chǎn)高效發(fā)展造成困難以及產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)工作面過較大寬度的空巷時(shí)，往往采用重新開切眼、二次移架搬家的方式，造成大量的煤炭資源浪費(fèi)，煤炭采收率大大降低。因此如何安全、高效的解決大采高工作面順利通過空巷、廢巷，不發(fā)生透頂、壓架、倒架、倒壁等其他生產(chǎn)事故，是煤礦科技工作者急需解決的一個(gè)重要課題[1-6]。

對(duì)于工作面過空巷的治理問題，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究[1-5]。謝生榮[7]等基于綜放工作面過空巷圍巖穩(wěn)定性差的問題，提出了過空巷綜合控制技術(shù)，并闡述了控制機(jī)理，進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐，解決了過空巷圍巖穩(wěn)定性差的問題；周海豐[8]針對(duì)神東礦區(qū)綜采面過空巷時(shí)的冒頂和壓架問題，總結(jié)了等壓開采技術(shù)并進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐，防止過空巷期間工作面發(fā)生冒頂事故；白曉生[9]通過分析煤層開采受小窯空巷嚴(yán)重影響的問題，提出了馬麗散充填加固過空巷的技術(shù)方法，能夠有效控制頂板移動(dòng)；段春生[10]通過分析資源整合礦井，分析了過空巷支護(hù)技術(shù)，闡述了資源整合礦井過空巷的技術(shù)；宋斌[11]以大采高工作面為試驗(yàn)對(duì)象，解決工作面過空巷瓦斯和頂板移動(dòng)為出發(fā)點(diǎn)，提出了基于地質(zhì)特征的技術(shù)措施，很好地解決了工作面過空巷的問題。

以上學(xué)者的研究?jī)H僅是對(duì)治理進(jìn)行了分析，而工作面回采過程中，上覆巖層必然發(fā)生下沉，最終垮落，由于回采作用而引起的覆巖運(yùn)動(dòng)，必然導(dǎo)致空巷圍巖變形破壞，在進(jìn)行研究工作面過空巷治理問題，必須對(duì)于采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[1-7]。

本文通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)相結(jié)合的綜合研究方法，分析覆巖特征，提出高性能、具有經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行的支護(hù)材料和支護(hù)工藝系統(tǒng)，并進(jìn)行工作面實(shí)踐驗(yàn)證。

1 工程概況

山西趙莊礦工作面 5301為大采高工作面，工作面走向長(zhǎng)度1 549 m，傾向長(zhǎng)度，煤層平均厚度6 m，為近水平煤層。工作面采用一次采全高開采方式，老頂為細(xì)粒砂巖，厚度約為6.14 m，以均勻?qū)永頌橹鳎恢苯禹敒榉凵皫r，厚度約為3.45 m，有交錯(cuò)層理發(fā)育，含有植物化石；偽頂為泥巖，厚度約為0.6 m；工作面直接底為粉砂巖，厚度約為2.71 m，含有植物化石，有波狀層理發(fā)育；老底為砂質(zhì)泥巖，厚度約為4.8 m，有波狀層理發(fā)育。

工作面含有5條順槽，屬于三進(jìn)兩回的通風(fēng)方式。巷道為矩形巷道，采用錨網(wǎng)支護(hù)以及錨索補(bǔ)強(qiáng)，工作面存在 4條空巷(三條平行一條垂直，共314 m)。

2 工作面過空巷圍巖應(yīng)力分布特征

2.1 模型建立

采用數(shù)值模擬對(duì)工作面過空巷圍巖應(yīng)力以及位移特征進(jìn)行研究，采用FLAC3D進(jìn)行模擬計(jì)算，將模型的三維尺寸設(shè)置為長(zhǎng)300 m、寬200 m、高100 m，工作面采空區(qū)設(shè)置30 m的保護(hù)煤柱作為邊界，工作面煤厚為6 m，采用一次采全高開采工藝。由于工作面埋深為300 m，因此，在其上部要加上覆巖的載荷，采用P=γH，γ取27 kN/m3，計(jì)算可得P=8.1 MPa，因此，在垂直方向上增加8.1 MPa的載荷，工作面覆巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 工作面覆巖力學(xué)參數(shù)

2.2 開挖應(yīng)力分析

沿工作面走向與傾向方向應(yīng)力分布特征分別如圖1所示。

由圖1可知，工作面在回采過程中在走向和傾向上應(yīng)力分布不同。當(dāng)推進(jìn)距離為10 m時(shí)，走向與傾向最大應(yīng)力為2.7 MPa和2.8 MPa；當(dāng)推進(jìn)距離為15 m時(shí)，走向與傾向方向主應(yīng)力降低，都降為2.5 MPa；當(dāng)推進(jìn)距離為20 m時(shí)，主應(yīng)力進(jìn)一步降低，降低到2.4 MPa和2.25 MPa。在推進(jìn)過程中，走向方向煤柱承受應(yīng)力由 0.75 MPa增加到 2.6 MPa，傾向方向靠近空巷處的應(yīng)力較大，其最大值為3.1 MPa，說明受采動(dòng)影響的距離程度越來越大。因此，在過空巷回采過程中應(yīng)該進(jìn)行加固處理[1,6,12-13]。

圖1 工作面應(yīng)力分布特征圖

3 泵送充填支柱系統(tǒng)試驗(yàn)研究

3.1 泵送充填材料試驗(yàn)研究

泵送充填支柱材料主要是由超細(xì)硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、石膏等其他無機(jī)活性材料混合而成。根據(jù)正交試驗(yàn)確定其最優(yōu)配比為硫鋁酸鹽水泥摻量50%、石灰摻量25%、生石膏摻量20%，其凝結(jié)速度與力學(xué)特性分別如圖2所示。由圖2可知，其抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而逐漸變小，凝結(jié)時(shí)間逐漸變大，能夠適應(yīng)其變化特征[1,6,12-13]。

3.2 試驗(yàn)分析

對(duì)充填材料無、有支柱膜袋進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果見圖3。

圖2 材料性能變化曲線

圖3 充填材料力學(xué)特性曲線

由圖3可知，泵送充填支柱無充填膜袋隨著時(shí)間的推移其位移逐漸增大，其破壞主要以脆性破壞為主，與普通水泥類似，彈模小，不利于工程支護(hù)。而泵送充填支柱材料充填入支柱膜袋后其強(qiáng)度大幅提高，其變形特征主要分為讓壓變形和屈服應(yīng)力變形，在支護(hù)初期其變形較大，隨著時(shí)間的推移由于自身的屈服受力特征，其位移基本無變化。因此，泵送充填支柱材料充填入支柱膜袋對(duì)于穩(wěn)定頂板具有較好的支護(hù)作用，有利于控制頂板的穩(wěn)定性[1,6,12-13]。

4 應(yīng)用研究

4.1 支護(hù)方案

對(duì)工作面橫川布置泵送充填支柱，布置兩排支護(hù)支柱，形成“三花”交錯(cuò)布置。

4.2 支護(hù)效果分析

（1）礦壓監(jiān)測(cè)。工作面共設(shè)置了10個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)其中的一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，得出工作面過空巷前支柱上的壓力基本是平穩(wěn)的，沒有異常來壓顯現(xiàn)，說明支柱有效支撐了頂板來壓。當(dāng)揭露空巷后支柱壓力開始增大，說明老頂開始彎曲斷裂，工作面支架剛好可以支撐到空巷頂板起到很好的支撐作用。

（2）工作面頂?shù)装寮懊罕诜€(wěn)定性觀測(cè)。工作面煤壁未發(fā)生過一次片幫現(xiàn)象，最大頂板下沉量和底鼓量均在300 mm以內(nèi)，下沉量和底鼓量均得到了有效控制。

（3）割煤特征。工作面支護(hù)支柱起到了很好的支撐作用，采煤機(jī)能夠順利地進(jìn)行采煤，安全地回采了整個(gè)工作面。

5 結(jié) 論

（1）工作面在回采過程中在走向和傾向上應(yīng)力分布不同。當(dāng)推進(jìn)距離為10 m時(shí)，走向與傾向最大應(yīng)力為2.7 MPa和2.8 MPa；當(dāng)推進(jìn)距離為15 m時(shí)，走向與傾向方向主應(yīng)力降低，都降為2.5 MPa；當(dāng)推進(jìn)距離為20 m時(shí)，主應(yīng)力進(jìn)一步降低，降低到2.4 MPa和2.25 MPa。在推進(jìn)過程中，走向方向煤柱承受應(yīng)力由0.75 MPa增加到2.6 MPa，傾向方向隨著推進(jìn)靠近空巷處的應(yīng)力較大，其最大值為3.1 MPa。

（2）泵送充填支柱無充填膜袋隨著時(shí)間的推移其位移逐漸增大，其破壞主要以脆性破壞為主，不利于工程支護(hù)。而泵送充填支柱材料充填入支柱膜袋后其強(qiáng)度大幅提高，其變形特征主要分為讓壓變形和屈服應(yīng)力變形，在支護(hù)初期其變形較大，隨著時(shí)間的推移由于自身的屈服受力特征，其位移基本無變化。