泵送支柱支护技术在工作面过空巷中的应用

张锦红

(山西阳城阳泰集团 晶鑫煤业新井分公司，山西 晋城 048000)

前期小煤窑的私挖乱采等行为给一些矿井遗留下不规则的回采巷道，当工作面通过这些空巷时，由于超前应力的影响，空巷顶板破碎，工作面矿压显现强烈，有时甚至发生冒顶或压架事故，给矿井的安全开采造成了极大的困难[1-2]。诸多研究人员提出了各种过空巷的方法及支护手段，但是由于各矿地质条件的不同，适用效果也不尽相同[3-5]。本文提出了一种新型的过空巷技术——泵送支柱支护技术，为工作面安全过空巷提供了全新的探索方法。

1 工程概况

蓝家塔煤矿12301工作面主采12煤，煤层厚度3.5～4.0 m，煤层倾角1～3°，埋深80～120 m，属于近水平浅埋煤层。12301工作面位于12煤3盘区，工作面长度为242 m，推进长度1 250 m，采用大采高一次采全高综合机械化开采，设计采高3.8 m。煤层直接顶为中粒砂岩、粉砂岩、细粒砂岩，平均厚度7.5 m；基本顶为砂质泥岩、细粒砂岩，平均厚度约21.4 m；直接底为粉砂岩、砂质泥岩、细粒砂岩，平均厚度约5.3 m。

由于之前小煤窑的偷采，在工作面中部留设的废弃巷道贯穿整个工作面，巷道尺寸为5 m×3.8 m,空巷顶板采用“锚杆+锚索+钢梁+单体”联合支护，后期将单体回撤，如图1所示。工作面在过空巷期间，极易发生工作面切顶、大面积冒顶等现象，严重影响生产安全。通过采用泵送支柱过空巷技术，有效地保证了工作面安全顺利通过空巷。

图1 12301工作面空巷位置及巷道支护

2 泵送支柱技术

泵送支柱是一种新型巷道支护技术，泵送支柱支护强度高，可以代替空巷里的木垛或单体液压支柱支护；具有可切割性，能够帮助工作面快速通过和推进；具有较好的让压变形能力。此技术在国外被广泛应用于矿山巷道的支护中，因此工作面过空巷期间选择该项技术是最佳选择。它主要由可充填的无机材料及充填袋组成。其中无机填充材料主要由硅灰、矿粉、硅酸盐水泥按照一定的水料比混合而成，通过专用输送泵将其输送至充填袋内，快速凝结形成高强度、具有一定变形量的支柱。如图2所示。

图2 泵送支柱现场模型

充填袋为圆柱形，材质为PVC涂布，涂布内常常缠绕高强度塑料绷带或钢丝，用于束缚充填支柱，具有防火、抗拉强度大、延展率高等优点。充填袋尺寸可根据现场巷道尺寸进行设计，支柱直径主要有0.5 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m等。

泵送支柱与锚杆、木垛支护相比，支撑强度高、让压变形能力强、残余支撑强度高、具有可切割性。一般单根支柱的初撑力能到达20～50 kN。支柱一般由两层充填体构成，上层为厚度300 mm的让压层，对顶板变形起到一定的让压作用。另外其具有可切割性，在实际生产过程中不会对设备造成额外的影响。基于泵送支柱以上这些特点，该技术可应用于回撤通道、软岩巷道及矿压较大的空巷支护，既能保证巷道围岩稳定性，又可以保证煤机安全顺利地通过空巷。

3 泵送支柱实验室试验

为了充分了解泵送支柱的各项性能，对泵送支柱进行了相似模拟试验。制作模型为圆柱体，直径200 mm，高度600 mm，特制充填料：550 kg；泵送水灰比：1.2～1.4，凝结时间：3～7 min；浆体湿比重：1 300～1 450 kg/m3，分别在柱体顶部装有让压层和未装让压层进行压力试验，测试周期为20 d。表1为泵送支柱材料强度发展变化。

表2为泵送支柱应力应变性能测试结果。由表2可知，在单轴压力作用下，泵送支柱经历了屈服破坏的全过程，最大承载应力达到了20.4 MPa，而此时变形仅为8.4%，约为50.5 mm。在经历第二次屈服点后，承载能力迅速下降，直至发生屈服破坏为止。即使发生屈服破坏后，最大残余强度仍为12.2 MPa，充分证明了该支护具有一定的塑性变形能力及较高的承载能力。

表1 泵送支柱材料强度发展变化

表2 泵送支柱应力应变测试结果

通过对支柱有无让压层进行对比分析可知，有让压层的支撑强度要大于无让压层的支柱，最大承载应力由15.2 MPa增加到20.4 MPa，且变形量也得到一定的增加，由13.2 mm增加到50.5 mm。充分说明设置让压层有利于提升支柱的整体支护效果，特别对于井下存在动压的巷道。

4 工程实践

在12301工作面空巷内打设泵送支柱，设计支柱尺寸为1.0 m，空巷内所有支柱顶部均提前设置一层300 mm的让压层，支柱高度根据空巷高度而定，平均高度3.5 m，空巷内共布置2排支柱，每排67根，支柱间距3.0 m，排距3.0 m，支柱距离两侧煤壁0.5 m。支柱布置如图3所示。

图3 泵送支柱布置

12301工作面采用泵送支柱技术，在过空巷期间，发生2次大面积来压，工作面支架压力出现一定程度的上升，增幅比正常来压略大，约为2.7%。空巷围岩较为稳定，未出现冒顶、帮鼓、底鼓现象，顶底板移近量最大为282 mm，两帮移近量最大为152 mm。过空巷期间泵送支柱易于截割，未出现失稳倾倒等情况，经受住了顶板强烈来压的考验，保证了工作面安全顺利通过空巷。

5 结 语

1) 泵送支柱技术是一种新型的巷道支护技术，支撑面积大、强度高、可切割、具有一定的可缩性，实现了被动和主动相结合的支护，适合回撤通道、软岩巷道及矿压较大的空巷支护。

2) 通过实验室测试，对支柱设置让压层与无让压层进行对比分析，结果表明泵送支柱设置让压层，具有一定的塑性变形能力，承载能力能得到一定的提升。蓝家塔煤矿12301工作面实践证明，选用有让压层的泵送支柱技术能够保证工作面安全顺利通过空巷。