尚磊磊(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)安全生產(chǎn)指揮中心掘進(jìn)開拓辦公室,山西大同037003)

1 前言

由于礦井的無序開采,工作面回采過程中經(jīng)常出現(xiàn)貫通空巷情況,對礦井的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響[1-2]。對于貫通空巷時(shí)圍巖穩(wěn)定性的控制是一項(xiàng)技術(shù)難題,雖然眾多學(xué)者對貫通空巷時(shí)圍巖應(yīng)力變化規(guī)律及控制技術(shù)進(jìn)行了大量研究,提出木垛支護(hù)、錨桿錨索支護(hù)和高水材料充填支護(hù)等方式進(jìn)行支護(hù),但是貫通空巷時(shí)礦壓顯現(xiàn)劇烈,有些支護(hù)方式控制圍巖變形效果不明顯,造成貫通時(shí)易出現(xiàn)冒頂?shù)仁鹿?影響安全生產(chǎn)[3-5]。本文通過分析空巷貫通時(shí)3 種不同支護(hù)方式應(yīng)力及圍巖變形量,確定合理的空巷支護(hù)措施。

2 工作面概況

8102-3 工作面位于301 盤區(qū),東部為8102-2工作面(已回采),西部為正在掘進(jìn)巷道的8102-4工作面,南部為5102-1 巷(B 段)以及2102 巷,北部一條10～15 m 的正斷層以及8103 回采工作面。工作面開采2#煤層,平均厚度3.8 m,平均傾角5°,頂?shù)装逯饕商抠|(zhì)泥巖構(gòu)成,巖層強(qiáng)度低。8102-3 工作面回采期間會經(jīng)過5102 空巷,回風(fēng)巷道先接觸空巷222 m(切眼外),空巷在進(jìn)風(fēng)巷道325 m 結(jié)束(切眼外)。由于該空巷擱置時(shí)間長,當(dāng)該面回采到空巷時(shí),壓力增大對回采有影響。

5102 空巷掘進(jìn)后采用常規(guī)的錨網(wǎng)索支護(hù)方式,支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 5102 空巷錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)

掘進(jìn)后為提高頂板支護(hù)強(qiáng)度,采用21.6 mm ×10 000 mm 的恒阻錨索進(jìn)一步加固巷道頂板。根據(jù)巷道的寬度,共布置3 列恒阻錨索,沿著垂直方向向頂板施工。其中,第1 列布置在距巷幫0.4 m 處,排距為0.1 m;第2 列、第3 列布置在已支護(hù)常規(guī)錨索中間位置,排距分別為0.2 m、0.4 m。

3 過空巷支護(hù)技術(shù)

3.1 模擬方案

采用FLAC3D模擬8102-3 工作面距5102 空巷不同距離時(shí),分別采用木垛、錨桿和充填支護(hù),巷道應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布情況。建立350 m ×1 m ×84 m 的力學(xué)模型,X、Y、Z方向分別施加8.28 MPa、6 MPa、7.5 MPa 應(yīng)力,材料參數(shù)見表2。

表2 材料力學(xué)參數(shù)

3.2 距空巷30 m 時(shí)結(jié)果分析

選取8102-3 工作面距5102 空巷30 m 位置,模擬3 種不同支護(hù)方式支護(hù)條件下,位移、應(yīng)力、及塑性區(qū)分布情況。

1)位移分布

8102-3 工作面回采至距5102 空巷30 m 時(shí),不同支護(hù)方式位移變化情況如圖1、2、3所示。

圖1 木垛支護(hù)位移分布

圖2 錨桿支護(hù)位移分布

由圖1、2、3 可知,5102 空巷采用充填支護(hù)時(shí),位移相對于另外2 種支護(hù)方式小,幾乎為0?？障锊捎贸涮钪ёo(hù)時(shí),充填體充滿巷道空間,巷道相當(dāng)于實(shí)體煤,穩(wěn)定性好,8102-3 工作面超前支承壓力對空巷圍巖變形量影響小。因此,采用充填支護(hù)時(shí)效果最優(yōu)。

2)應(yīng)力分布

8102-3 工作面回采至距5102 空巷30 m 時(shí),不同支護(hù)方式垂直應(yīng)力變化情況如圖4所示。

圖4 不同支護(hù)垂直應(yīng)力分布

圖3 充填支護(hù)位移分布

由圖4 可知,5102 空巷采用木垛、錨桿支護(hù)時(shí),垂直應(yīng)力顯現(xiàn)劇烈,說明木垛、錨桿已基本失去支護(hù)作用。但采用充填支護(hù)時(shí),充填物充實(shí)巷道空間,頂?shù)装暹B接成為一個(gè)整體。此時(shí),8102-3 工作面超前支承壓力由空巷圍巖和充填體共同分擔(dān),空巷受超前支承壓力影響小,應(yīng)力分布不明顯,穩(wěn)定性好。

3)塑性區(qū)分布

8102-3 工作面回采至距5102 空巷30 m 時(shí),不同支護(hù)方式塑性區(qū)變化情況如圖5所示。

圖5 不同支護(hù)垂直應(yīng)力分布

由圖5 可知,5102 空巷采用木垛、錨桿支護(hù)時(shí),塑性區(qū)范圍范圍大,淺部、深部圍巖主要破壞方式分別為拉張、剪切破壞;采用充填支護(hù)時(shí),空巷受8102-3 工作面超前支承壓力影響,僅淺部圍巖出現(xiàn)拉張破壞,塑性區(qū)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另外2 種支護(hù)方式。

根據(jù)模擬可知,5102 空巷采用充填支護(hù)后,受8102-3 工作面超前支承壓力影響小,巷道圍巖變形量小,與8102-3 工作面回采貫通時(shí)穩(wěn)定性最好,能夠避免發(fā)生冒頂?shù)仁鹿?影響工作面的安全回采。

3.3 距空巷不同距離結(jié)果分析

采用FLAC3D模擬8102-3 工作面距5102 空巷不同距離時(shí),得到空巷分別采用3 種不同支護(hù)方式圍巖變形量,具體如圖6所示。

由圖6 可知,5102 空巷采用充填支護(hù)后,巷道圍巖變形量相對于另外2 種支護(hù)方式有了明顯的減小,巷道不同位置圍巖變形情況見表3。

圖6 推進(jìn)不同距離時(shí)5102 空巷圍巖變形量

表3 5102 空巷圍巖變形情況

由不同支護(hù)方式5102 空巷變形量可知,采用充填支護(hù)后巷道圍巖變形量有了明顯的減小。當(dāng)8102-3工作面貫通空巷時(shí),采用充填支護(hù)不僅巷道圍巖變形量小,穩(wěn)定性強(qiáng),而且充填體能夠避免煤機(jī)切割時(shí)遇阻,確保工作面能夠安全快速貫通空巷。

4 充填支護(hù)施工

4.1 充填材料

5102 空巷采用充填支護(hù)效果最優(yōu),充填材料選擇高水材料。當(dāng)8102-3 工作面貫通空巷時(shí),如果保證圍巖穩(wěn)定,支護(hù)阻力應(yīng)當(dāng)大于0.85 MPa。因此,高水材料水灰質(zhì)量比為10∶1。

4.2 充填方案

5102 空巷采用分段式充填,沿著巷道走向由西向東依次進(jìn)行施工,間距為30～50 m,具體如圖7所示。

圖7 5102 空巷充填支護(hù)施工圖

為保證充填支護(hù)效果,在進(jìn)行首段充填施工時(shí),應(yīng)首先在起止位置分別布置注漿墻,保證充填材料能壓實(shí)巷道空間。分段充填時(shí),每段密閉空間布置完畢后,在空巷頂板最高位置鋪設(shè)2～3 組充填管,進(jìn)行高水材料充填。

5 支護(hù)效果分析

5102 空巷采用充填支護(hù)后,通過監(jiān)測8102-3工作面貫通空巷前后不同距離液壓支架支護(hù)阻力,驗(yàn)證支護(hù)效果,具體如圖8所示。

圖8 不同距離支架支護(hù)阻力

由圖8 可知,8102-3 工作面貫通空巷前后液壓支架支護(hù)阻力較為平穩(wěn),平均支護(hù)阻力約為20.4 MPa。工作面貫通前20 m、貫通后10 m 區(qū)域,支護(hù)阻力增大,但增加幅度小,在貫通空巷后3 m 處,支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到最大值21 MPa。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知,空巷采用充填支護(hù)后,工作面支承壓力較為平穩(wěn),支護(hù)效果好,能夠保證貫通前后工作面的回采安全。

6 結(jié)論

(1)采用FLAC3D模擬8102-3 工作面貫通5102空巷前后,分別采用木垛、錨桿和充填支護(hù)下,巷道應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布情況。根據(jù)模擬結(jié)果可知,空巷采用充填支護(hù)后,應(yīng)力顯現(xiàn)不明顯,未出現(xiàn)塑性破壞,圍巖變形量相對于另外2 種支護(hù)方式有明顯減小。因此,5102 空巷采用充填支護(hù)后圍巖穩(wěn)定性好,支護(hù)效果最優(yōu)。

(2)采用高水材料沿著5102 空巷由西向東依次進(jìn)行施工,間距為30～50 m。充填支護(hù)完成后,通過監(jiān)測8102-3 工作面液壓支架支護(hù)阻力驗(yàn)證支護(hù)效果。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知,工作面貫通空巷前后,最大支護(hù)阻力為21 MPa,屬于可控范圍內(nèi)。因此,空巷采用充填支護(hù)后能夠保證工作面安全回采。