姬海魚

（山西陽城陽泰集團(tuán)義城煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048100）

1 工程概況

義城煤業(yè)四采區(qū)3402工作面地面標(biāo)高+559.45～+697.66 m，井下標(biāo)高+463～+486.2 m，工作面北、南均為實(shí)體煤，東為3400階段運(yùn)輸巷，西與二級軌道巷留設(shè)24 m保安煤柱。工作面走向長度423 m，傾斜長度149 m，工作面開采3#煤層，煤層均厚為5.67 m，平均傾角為6°，頂板巖層為粉砂巖和細(xì)粒砂巖，底板巖層為泥巖，具體煤層頂?shù)装鍘r性特征見表1。工作面采用綜采放頂煤采煤方法，正?；夭啥尾擅焊叨葹?.7 m，采放比為1∶1.1，過構(gòu)造及空巷特殊區(qū)段時，采煤高調(diào)整為2 m，循環(huán)進(jìn)尺0.6 m。

根據(jù)3402工作面的地質(zhì)資料可知，工作面運(yùn)輸順槽前78 m、回風(fēng)順槽前91 m區(qū)域范圍內(nèi)均為實(shí)體煤，運(yùn)輸順槽78～342 m、回風(fēng)順槽91～354 m區(qū)段約264 m范圍內(nèi)為礦井原巷采巷道以及大巷煤柱，舊巷沿煤層中部布置，均為傾向空巷，巷道凈高約3 m，凈寬約4～5 m，頂板及底板分別留有1.5 m頂煤和1.1 m底煤，舊巷內(nèi)頂板出現(xiàn)大范圍垮落冒落。為確保過空巷期間施工安全，現(xiàn)擬采用空巷充填的開采工藝。

表1 3#煤層頂?shù)装鍘r層特征

2 空巷充填開采技術(shù)

2.1 充填材料及充填工藝

3402工作面過空巷時采用超高水充填材料進(jìn)行充填加固，超高水充填材料是一種能在高水灰比條件下快速凝結(jié)的特種水泥，具有以下特點(diǎn)：

（1）高水灰比下結(jié)石率為100%；

（2）凝結(jié)速度快，早期強(qiáng)度高并可調(diào)；

（3）塑性好，凝結(jié)體單軸加壓應(yīng)變達(dá)15%時，殘余強(qiáng)度能夠達(dá)到峰值強(qiáng)度的一半以上；

（4）凝結(jié)體具有微膨脹性；

（5）改變水灰比和添加劑成分就能獲得不同強(qiáng)度的凝結(jié)體，可滿足不同工程的需要；

（6）凝結(jié)體含水量大，單位體積充填料用量少，且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送，輔助運(yùn)輸量小。

在工作面回采前，對已揭露的空區(qū)、空巷進(jìn)行預(yù)處理，在空區(qū)空巷兩端砌筑防漏墻形成封閉空間，防漏墻高度大于工作面采高。充填的目的是將垮落的煤和矸石膠結(jié)起來，并達(dá)到適宜采煤機(jī)截割的強(qiáng)度，形成假“實(shí)體煤”，與現(xiàn)存的實(shí)體煤構(gòu)成整體。

2.2 充填體強(qiáng)度的確定

由于采用超高水材料進(jìn)行充填作業(yè)時，不同水灰比下充填體的強(qiáng)度表現(xiàn)為不同的特征，且在不同水灰比下進(jìn)行充填開采作業(yè)時，經(jīng)濟(jì)費(fèi)用會呈現(xiàn)出較大的差異。根據(jù)試驗(yàn)分析與工程實(shí)踐結(jié)果［1-2］，結(jié)合3402復(fù)采工作面的具體特征，采用FLAC3D建立長×寬×高=200 m×100 m×50 m模型，見圖1。固定模型側(cè)邊及底板的位移，在模型上方施加上覆巖層的自重載荷，并提前在工作面前方150 m處開挖一條寬×高=5 m×3 m的空巷，具體煤層頂?shù)装鍘r層的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 3#煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模擬模型

具體模擬分析不充填作業(yè)和充填體強(qiáng)度分別為0.5 MPa（水灰比8∶1）、1 MPa（水灰比6∶1）、2 MPa（水灰比5∶1）、3 MPa（水灰比4∶1）下工作面進(jìn)行充填開采作業(yè)時，空巷頂板上方1 m應(yīng)力分布和超前支承應(yīng)力分布規(guī)律，見圖2。

圖2 不同充填體寬度下空巷頂板1 m應(yīng)力及超前支承應(yīng)力峰值曲線

根據(jù)圖2（a）可知，空巷頂板上方1 m圍巖應(yīng)力隨著充填體強(qiáng)度的增大而逐漸增大，充填體強(qiáng)度在0.5～1 MPa的范圍內(nèi)應(yīng)力提升幅度較大，當(dāng)充填體強(qiáng)度大于1 MPa后，隨著充填體強(qiáng)度的增大，空巷頂板上方1 m區(qū)域應(yīng)力提升變化幅度逐漸減小，改善圍巖的效果不太明顯，這即表明當(dāng)充填體強(qiáng)度為1 MPa時，已經(jīng)有效的改善了空巷區(qū)域圍巖應(yīng)力的效果。

根據(jù)圖2（b）可知，工作面超前支承應(yīng)力峰值隨著充填體強(qiáng)度的增大而逐漸減小，同樣充填體強(qiáng)度由0.5 MPa增大到1 MPa時，空巷頂?shù)装逡平康慕档头容^大，由67 MPa降低為64 MPa，當(dāng)充填體強(qiáng)度由1 MPa增大為3 MPa時，工作面超前支承應(yīng)力峰值的變化幅度較小，強(qiáng)度增大2 MPa超前支承應(yīng)力分支僅降低2 MPa，故據(jù)此可知充填體強(qiáng)度大于2 MPa時，控制效果相差不明顯。

綜合上述分析，當(dāng)采用充填體強(qiáng)度為1 MPa時進(jìn)行充填作業(yè)便能夠滿足保障工作面推進(jìn)通過空巷區(qū)域時圍巖的穩(wěn)定，具體充填體強(qiáng)度為1 MPa時，空巷頂板1 m應(yīng)力分布及超前支承應(yīng)力峰值分布，見圖3。

圖3 充填體強(qiáng)度為1 MPa時圍巖應(yīng)力分布云圖

3 空巷充填開采方案及效果

3.1 方案設(shè)計(jì)

（1）注漿充填設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，3402復(fù)采工作面采用的超高水充填材料在水灰比6∶1的條件下凝結(jié)7天以后的強(qiáng)度能達(dá)到1 MPa，滿足工作面回采的使用要求。3402復(fù)采工作面采前注漿的目的是充填工作面前方空巷，根據(jù)已有的探測結(jié)果，在順槽鉆孔注漿，由近及遠(yuǎn)充填各條空巷，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)踐［3-4］，確定超高水材料在水灰比為6∶1時的擴(kuò)散半徑約為15 m，因此漿液可擴(kuò)散至整個工作面長度一半左右。

基于上述分析綜合確定在進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)順槽布置充填和攪拌系統(tǒng)，向工作面內(nèi)的空巷區(qū)域進(jìn)行充填作業(yè)，當(dāng)空巷頂板的冒落高度不大時，進(jìn)行充填作業(yè)時，直接在冒落高度內(nèi)進(jìn)行全部充填，充分保障充填體與未冒落巖層結(jié)頂嚴(yán)實(shí)。

若工作面前方空巷區(qū)域冒落高度較大，無法充填接頂時，充填后形成一定厚度的截割層和充填承載層，充填承載層以上空間不充填，截割層為復(fù)采工作面采高2 m，充填承載層確定為4.5 m，總的充填高度預(yù)計(jì)為6.5 m，見圖4。

圖4 空巷冒落高度較大時采前充填

（2）注漿工藝

注漿工藝流程包括準(zhǔn)備、裝料、加水、攪拌、注漿、清洗等過程，見圖5。

圖5 充填工藝流程

在運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷設(shè)井下充填攪拌站，配備攪拌機(jī)、注漿泵，按配比要求配置充填材料，將攪拌好的充填材料用混凝土泵經(jīng)管道輸送到工作面，灌入封閉好的空間，并隨時監(jiān)測灌漿情況，當(dāng)膏體充滿空區(qū)、空巷時停止充填。如果工作面前方冒頂區(qū)域走向長度大且冒頂走向與工作面近平行時，如果工作面平行推進(jìn)，可能發(fā)生一次揭露冒頂區(qū)域過大，使得工作面上方出現(xiàn)大面積空頂、瓦斯超限等問題，嚴(yán)重威脅工作面安全生產(chǎn)。針對這種情況，從減小一次揭露冒頂區(qū)范圍出發(fā)，選擇工作面調(diào)斜通過冒頂區(qū)。

（3）回采過空巷充填區(qū)時安全技術(shù)措施

①工作面回采至空巷前方3～5 m時，應(yīng)盡量停止工作面的放煤作業(yè)，降低工作面的采高為2 m，保證液壓支架的前柱有500 mm的伸縮量，防止出現(xiàn)液壓支架壓死［5］。

②當(dāng)工作面接近空巷時，易出現(xiàn)片幫、冒頂，應(yīng)降低采煤機(jī)割煤速度，且割煤前須提前完成支架超前移架，如果空巷處煤體垮落，必須用坑木將空巷空頂處填滿，支護(hù)頂板。

③工作面回采推進(jìn)通過空巷區(qū)域時，禁止采煤作業(yè)時將機(jī)頭和機(jī)尾區(qū)域的煤體同時平行推向空巷區(qū)域，在進(jìn)入空巷前必須預(yù)先將工作面最大限度地調(diào)整為偽斜，進(jìn)而保障工作面能夠逐漸通過空巷區(qū)域。

3.2 效果分析

3402工作面采用型號為ZF5300/17/32液壓支架，支架初撐力及工作阻力分別為4362 kN，和5300 kN，在工作面回采推進(jìn)通過平行空巷時，對工作面液壓支架的工作阻力進(jìn)行監(jiān)測作業(yè)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果得出支架工作阻力曲線，見圖6。

圖6 工作面距空巷不同距離時支架工作阻力曲線

根據(jù)圖6可知，工作面在距離空巷區(qū)域20 m時，液壓支架的工作阻力開始快速增大，當(dāng)工作面回采至空巷位置時，支架的工作阻力達(dá)到最大值為4986 kN，未超過支架的額定工作阻力，仍存在著5.92%的富裕系數(shù)，工作面推進(jìn)過空巷區(qū)域后，支架的工作阻力又開始逐漸減小，在推過空巷20 m的范圍內(nèi)，工作阻力的下降幅度較大；另外結(jié)合現(xiàn)場觀測結(jié)果可知，回采期間工作面未發(fā)生煤壁大范圍的片幫現(xiàn)象，空巷充填開采效果顯著。

4 結(jié)語

根據(jù)3402復(fù)采工作面地質(zhì)及空巷條件，確定采用空巷充填開采技術(shù)，使用超高水充填材料，基于數(shù)值模擬確定充填材料的水灰比為6∶1，并基于空巷具體情況進(jìn)行充填開采及安全技術(shù)措施設(shè)計(jì)，根據(jù)液壓支架工作阻力及現(xiàn)場觀測知，工作面過空巷區(qū)域支架工作阻力正常，煤壁無大范圍片幫，充填開采保障了工作面順利通過空巷區(qū)域。