过空巷综采工作面顶板破坏机理分析及充填技术研究

毛希鹏

（昔阳坪上煤业有限责任公司，山西 晋中 045300）

长期以来，综采工作面过空巷一直是煤矿开采中的技术难题。当工作面与空巷联通后，由于控顶距的增大，加之空巷围岩稳定性差、受采场动压的影响较大，易发生冒顶、煤壁片帮、支架压力过大等现象，给工作面的生产带来不利影响[1]。

刘畅等[2]通过对综采工作面过空巷时关键块与液压支架的受力状态分析，并提出双拱模型支护方案，取得较好的支护效果；伊康等[3]通过建立液压支架-围岩的耦合模型，对综放复采工作面过空巷时支架应力进行分析，结果显示顶板超前断裂导致周期来压提前，液压支架应力达到峰值；尹超宇等[4]对工作面过空巷时顶板的受力和断裂位置进行了研究，并采用数值模拟的方法分析了煤柱和基本顶破碎区影响范围。

虽然目前众多学者对综采工作面过空巷顶板稳定性进行了大量研究，但由于稳定性影响因素的复杂多变性，仍存在诸多问题。本文以坪上煤业15203回采工作面过轨道空巷为工程背景，通过分析过空巷综采工作面顶板破坏机理，并提出高水材料填充空巷的技术方案，为相似工程提供借鉴。

1 工程概况

坪上煤业15203回采工作面盖山厚度232～297m，平均262m，主要开采15#煤层，煤层平均厚度5.81m，平均倾角12°，采用走向长壁一次性采全高的采煤方法。工作面直接顶为平均厚度10.3m的泥岩，老顶为平均厚度5m的炭质泥岩，直接底为平均厚度2.3m的中粒砂岩。为提高矿井回采率，对15203工作面局部设计进行了重新布设，布置方式由原双翼布置改为单翼布置。重新布设后15203工作面回采期间需要穿越废弃轨道巷，空巷断面为4.6m×2.9m的矩形，沿15#煤底板掘进。由于原支护强度较低，加上空巷围岩松软破碎，当工作面回采至空巷时，采场动压易造成空巷顶板垮落，导致工作面掘进难度增大。

图1 15203工作面示意图

2 过空巷综采工作面顶板破坏机理分析

2.1 顶板破坏特征

在综采工作面过空巷时，由于空巷围岩存在应力集中区、煤岩破碎区，稳定性较差，随采区逐渐向空巷移动，使得两者间留设煤柱的宽度逐渐减小，在采动应力作用下导致煤柱承载性能降低，发生断裂破碎、跨落破坏的现象，同时顶板的控顶长度增大，砌体梁结构的位置和状态发生变化，极易发生失稳，导致顶板断裂破坏、剧烈下沉，矿山压力显现明显。

根据关键层理论，随综采工作面向空巷的移近，上部岩煤体剪切破坏，煤柱变窄应力增大，直接顶与基本顶分离，基本顶形成半拱的砌体梁结构，导致空巷受关键块B断裂的影响，处在应力增高区，同时工作面矿压增大。当工作面顶板即将产生周期来压时，煤柱发生破坏失稳，关键块B在空巷附近断裂，断裂长度横跨煤柱和空巷，大于周期来压步距，使得工作面和空巷发生破坏失稳，同时使得液压支架等支护设备处于危险状态，工作面不能安全顺利通过空巷，如图2所示。

图2 顶板破坏模型

2.2 顶板破坏影响因素

2.2.1 煤柱宽度

图3 煤柱应力分布

随综采工作面向空巷移近，采动应力导致煤柱的支承应力增大，当大于煤柱支承极限后，煤柱塑性失稳破坏，煤柱应力分布表现为单峰型，如图3所示。当煤柱宽度小于临界宽度时，煤柱由弹性状态变为塑型状态，此时煤柱支承性能减弱，工作面顶板破坏断裂。此时煤柱承受空巷及工作面上部岩煤体的重量，将工作面顶板看作一端固定梁，长度等于煤柱宽度、空巷宽度和工作面与顶板周期断裂线距离的和[5]，若其长度大于周期来压步距，导致弯矩和剪切力增大，则顶板发生断裂破坏，即：

2.2.2 空巷宽度

由（1）式可知，工作面顶板视为一端固定的梁，当顶板梁长度且周期断裂线距离时，即顶板梁长度等于周期来压步距，刚好处于断裂平衡状态时，若空巷宽度大于空巷临界宽度（顶板初次垮落步距），煤柱支承性能减弱，工作面顶板发生破坏断裂，如图4所示。此时，液压支架无法承受上部岩煤体全部重量，需要对空巷重新进行支护设计。

图4 空巷宽度对顶板影响

2.2.3 工作面与顶板周期断裂线距离

由式（1）可知，工作面顶板视为一端固定的梁，当周期断裂线距离足够大时，不考虑空巷宽度的影响，顶板长度也可大于周期来压步距，使得煤柱支承性能减弱，工作面顶板发生破坏断裂，此时，如图5所示。可知，即便空巷宽度较小，也有可能发生工作面顶板断裂破坏的情况。

图5 周期断裂线距离对顶板影响

2.3 顶板破坏力学分析

由上节分析可知，随综采工作面向空巷移近，工作面顶板稳定性受煤柱宽度、空巷宽度和工作面与顶板周期断裂线距离三因素的共同影响，当顶板梁长度大于周期来压步距时，顶板发生断裂破坏。

依据离层假定[6]，由于工作面顶板无法承受上部岩煤体的重量，使得断裂破坏向上发展，顶板梁厚度可按下式表示：

式中：ρ为密度，kg/m3；K为抗拉强度系数；σ为抗拉强度，kN/m2。

可以看出，综采工作面过空巷后，工作面顶板断裂破坏的长度和厚度有较大增长，维持工作面稳定的液压支架工作阻力也发生较大增长。

3 空巷填充技术研究

由于空巷的存在，使得巷道围岩软化，易形成应力集中区，造成工作面冒顶、压垮支架等重大事故，严重影响煤矿的安全生产。依据上节对综采工作面过空巷顶板破坏机理分析，并根据15203回采工作面的地质特性及变形破坏情况，提出高水材料填充空巷的技术方案。高水材料由甲乙两种浆液混合而成，具有以下特点：

（1）硬化速度快、强度高。高水材料在高水灰比的条件下快速硬化，产生具有高强度、高硬度的钙矾石，并且其强度可以通过改变外加剂和水的比例实现，水灰比越小抗压强度越高，凝固24h后抗压强度大5MPa。

（2）自修复性。当固结体部分破坏后，在水的作用下可再次胶结，阻止巷道变形。

（3）一定塑性。高水材料固结体的塑形可一定程度削弱矿压作用。

采用高水材料对空巷进行填充后，原采掘煤岩部分被替换成填充体，使得巷道形成人工假顶、墙壁，破碎围岩形成整体结构，巷道再无垮落空间，阻止了巷道的变形。同时，高水材料可渗透流入破碎岩煤体缝隙中，提高围岩强度，而工作面回采时可像正常采煤一样切割填充体。为保证15203工作面的安全开采，综合考虑工作面的开采因素、地质条件及施工条件，最终选定浆液水灰比为3：1。注浆时根据空巷标高，自低向高划分每10m一段分段填充，填充时为阻止浆液流动确保充填密实，需在各填充段两端设置封闭墙，如图6所示。

设置封闭墙后在各分段铺设填充管线，采用双液注浆泵对各填充段分别加压注浆，主要工序包括配置浆液、加压注浆、清理管路。配置浆液时甲乙两种浆液单独搅拌、加压输送，在注浆完成后，要及时清洗输送管路和注浆泵，防止堵塞。待上段充填体达到设计强度后，采煤机开始割煤，如此循环通过空巷。

图6 分段填充示意图

4 工程实践

为评估高水材料填充空巷的效果，在工作面回采时沿工作面倾斜方向布置测线，采用YHY-60液压支架测力仪对 51、52、53、54、55 架 ZF6000/17/28型支架的工作阻力进行监测，监测值取平均，并绘制曲线如图7。通过分析可知，液压支架工作阻力整体近似呈“山形”，当工作面穿越空巷时支架工作阻力最大为30.5MPa，工作面距空巷的距离越大支架工作阻力越小，当距离大于50m后支架工作阻力变化较小，维持在29.4MPa。可以看出当工作面穿越空巷时支架工作阻力仅增大约3.7%，支架整体工作阻力变化较平稳，均小于安全阀开启压力。同时在穿越过程中采煤机顺利切割填充体，且未出现支架被压死现象，表明该方案可以实现工作面较安全地通过空巷。

图7 液压支架工作阻力

5 结论

1）综采工作面过空巷时影响顶板稳定性的因素主要包括：煤柱宽度、空巷宽度及工作面与顶板周期断裂线距离；

2）过空巷后，综采工作面顶板断裂破坏的长度、厚度及工作面液压支架工作阻力均有较大增长；

3）工程实践表明，采用高水材料对空巷进行填充，工作面可以较安全地通过空巷，为相似工程提供借鉴。