（霍州煤電集團(tuán)晉北煤業(yè)公司，山西 靜樂 035100）

工作面過空巷時一直是煤礦開采面臨的一個技術(shù)難題。工作面過空巷時，往往因為超前支護(hù)不足，導(dǎo)致巷道圍巖變形嚴(yán)重，當(dāng)工作面距離空巷位置較近時，支護(hù)強(qiáng)度不足時極容易導(dǎo)致巷道頂板的急劇下沉，從而造成工作面礦山壓力異常。當(dāng)?shù)V井發(fā)生大面積的冒頂以及支架壓垮事故時，將嚴(yán)重影響生產(chǎn)的進(jìn)行[1-4]。本文以晉北煤業(yè)公司5-103工作面過空巷為實例，采用數(shù)值模擬和工程實踐分析空巷充填支護(hù)應(yīng)用特點。

1 工程實例

晉北煤業(yè)公司5-103工作面在回采過程中要通過與其立交的一采區(qū)集中皮帶巷。由于該工作面與一采區(qū)集中皮帶巷層間距小，在8.8～12.7 m區(qū)間，立交最小區(qū)域8.8m，且?guī)r性較軟，而工作面采高較大，平均達(dá)到4 m左右，因此過空巷期間需要控制好頂幫及老頂來壓。

5-103工作面采用一次采全高后退式走向長壁采煤法。工作面每天割6刀，采煤機(jī)截割深度為0.8m，工作面每天可以推進(jìn)4.8 m。工作面主要采用液壓支架和過渡支架共同維護(hù)，實測礦壓參數(shù)見表1。

表1 礦壓參數(shù)實測

2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)晉北煤業(yè)煤層實際埋藏狀況進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬的模型長度為130m，寬為110m，高為70 m。直接頂?shù)膸r性為砂質(zhì)泥巖，厚度為4m，巖層的密度為2400kg/m3，摩擦角為24°，抗拉強(qiáng)度為2.2MPa；基本頂?shù)膸r性為粗砂巖，厚度為20m，巖層的密度為2500kg/m3，摩擦角為28°，抗拉強(qiáng)度為2.21MPa；煤層厚度為4m，密度為1400kg/m3，摩擦角為19°，抗拉強(qiáng)度為0.79MPa；底板巖性為粗砂巖，厚度為10m，巖層的密度為2500kg/m3，摩擦角為33°，抗拉強(qiáng)度為2.29MPa。

當(dāng)空巷不進(jìn)行支護(hù)時，巷道變形嚴(yán)重，影響安全生產(chǎn)，而不同充填強(qiáng)度下巷道變形也有差異，因此本文對充填強(qiáng)度為2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa下的巷道圍巖變形進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過數(shù)值模擬計算得到最合適的充填體強(qiáng)度。不同充填體強(qiáng)度下，巷道抵抗變形的能力不同。理論上來看，充填體強(qiáng)度越大，對頂板以及巷道兩幫的支撐力較大，巷道抵抗變形的能力越大，因此煤柱的變形量會變小。當(dāng)空巷被充填滿之后，煤柱變形基本可以忽略不計，當(dāng)工作面推進(jìn)至空巷位置時，充填體的受力最大，此時充填體的主要作用是改變煤柱以及巷道的應(yīng)力重新分布。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬了煤柱寬度為10m、5m、0m，不同充填體下煤體的受力特征，分別見圖1、圖2、圖3。

圖1 煤柱寬度10m不同強(qiáng)度充填體煤體塑性區(qū)分布

圖2 煤柱寬度5m不同強(qiáng)度充填體煤體塑性區(qū)分布

圖3 煤柱寬度0m不同強(qiáng)度充填體煤體塑性區(qū)分布

模擬分析結(jié)果如下：

1）當(dāng)煤柱寬度為10m時，大部分煤體因為受力太大處于塑性區(qū)域，此時空巷的充填體同樣處于塑性變形區(qū)域。對比不同支護(hù)強(qiáng)度下巷道的變形特征，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度小于4MPa時，煤體整體處于彈性區(qū)域，巷道變形較大，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度大于4MPa時，煤柱受到支撐力，處于塑性狀態(tài)，巷道變形區(qū)域減小，見圖1。

2）當(dāng)煤柱寬度為5m時，因為支撐力較小，所有煤柱都處于塑性狀態(tài)，在距離空巷大約12m的位置，煤柱以及巷道都處于塑性區(qū)域，圍巖變形嚴(yán)重。當(dāng)進(jìn)行充填作業(yè)后，塑性區(qū)域雖然有所減小，但是巷道圍巖變形依舊嚴(yán)重，充填作業(yè)并沒有改善煤柱以及巷道的受力特征，見圖2。

3）當(dāng)煤柱寬度為0m時，巷道圍巖全部處于塑性狀態(tài)，當(dāng)工作面推進(jìn)至空巷時，空巷15m范圍內(nèi)，頂?shù)装鍘r層全部處于塑性區(qū)域，將嚴(yán)重影響生產(chǎn)的進(jìn)行。此時不同充填體強(qiáng)度雖然可以有效降低塑性區(qū)域的變形，但是效果不佳，見圖3。

從巷道圍巖以及煤柱變形特征考慮，充填體強(qiáng)度越大，巷道塑性破壞區(qū)域越小。為了得到更加合理的充填體強(qiáng)度，對充填體的強(qiáng)度變形進(jìn)行分析，得到不同充填強(qiáng)度下充填體的變形曲線見圖4。

圖4 不同充填強(qiáng)度下充填體的變形曲線

從圖4中可以看出，充填體變形量隨充填強(qiáng)度的增加逐漸減小。當(dāng)充填體強(qiáng)度小于4MPa時，充填體變形量較大，當(dāng)充填體強(qiáng)度大于4MPa時，充填體的垂直壓縮量以及橫向壓縮量都開始緩慢減小。從安全生產(chǎn)的角度考慮，充填體強(qiáng)度為4MPa時已經(jīng)滿足生產(chǎn)需要，從頂板垮落的角度考慮，較大的充填強(qiáng)度將會導(dǎo)致頂板垮落困難，也會增加采煤機(jī)截割作業(yè)的難度。因此綜合考慮，4MPa的充填體強(qiáng)度是最理想的選擇。

3 工程實踐

目前國內(nèi)主要的充填材料有化學(xué)漿液、水泥漿液、高水材料以及普通水泥幾種。為了保證充填效果，需選擇成本較低的充填材料，確保充填強(qiáng)度，加快施工的進(jìn)度。經(jīng)過大量實踐證明，高水材料充填在水灰比4:1時，膠結(jié)時間在24小時后支護(hù)強(qiáng)度可以達(dá)到4MPa，滿足充填體的強(qiáng)度且成本最為合理。

充填作業(yè)完成后，為了觀測充填效果，對液壓支架進(jìn)行阻力監(jiān)測，得到工作面過空巷時液壓支架阻力監(jiān)測曲線，見圖5。5-103工作面共布置了120架液壓支架，選取在空巷范圍內(nèi)的3#、20#、50#支架分析工作面過空巷時的支架阻力變化。

從圖5中可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至空巷位置時，3#、20#、50#支架雖然有一定范圍的波動，但是整體處于液壓支架工作阻力范圍內(nèi)，已經(jīng)滿足生產(chǎn)的需要。從工作面過空巷時實際工作圖6中可以看出，在工作面經(jīng)過空巷時，充填體并未發(fā)生明顯的軸向以及橫向變形，保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

圖5 工作面過空巷時液壓支架阻力監(jiān)測曲線

圖6 工作面過空巷時實際工作

4 效益分析

采用高水材料進(jìn)行充填支護(hù)作業(yè)時，所需的充填材料共計2006.4×227.3÷2500=182 t，高水材料的成本價格約為35萬，加上35萬元的施工費(fèi)用，整個充填支護(hù)共花費(fèi)70萬元；在完成充填支護(hù)后，5-103工作面可以多推進(jìn)100m，多出原煤10萬噸，按照噸煤500元計算，可創(chuàng)收5000萬元。由此可見，充填支護(hù)相較傳統(tǒng)的支護(hù)方式可以帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益，較短時間的充填作業(yè)以及良好的充填效果不僅減輕了工人的勞動量，而且很好的控制的巷道圍巖的變形，加快工作面的推進(jìn)，具有良好的現(xiàn)實意義。

5 結(jié)語

1）應(yīng)用數(shù)值模擬方法對5-103工作面空巷充填支護(hù)方式進(jìn)行了詳細(xì)分析，當(dāng)充填體強(qiáng)度為4MPa時，空巷圍巖塑性破壞區(qū)域小，可以滿足安全生產(chǎn)。

2）通過工程實踐，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）空巷充填支護(hù)方式既提高礦井回采率，也創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，推廣前景良好。