超长工作面过大断面空巷充填支柱支护技术

宋 鹏

(山西省华泰矿业有限公司， 山西 晋中 031300)

煤矿厚煤层综采工作面普遍存在空巷[1]，工作面过空巷时，由于采动和超前支承压力的影响，易引起空巷及工作面顶板急剧下沉，造成大面积片帮、冒顶、压垮支架等事故，严重影响安全生产[2-3].

国内学者针对过空巷问题进行了大量研究和工程实践。柏建彪和侯朝炯[4]等利用“关键块”假说建立空巷顶板力学模型，提出高水材料充填空巷技术和相关参数；杨荣明等[5]通过分析工作面过空巷的被动形式支护,提出主动支护优于被动支护的理论。

上述研究成果均基于传统的过空巷方式，对一般工作面通过小断面、垂直或者斜交的空巷支护效果显著，对于超长工作面内大断面的平行空巷，木垛支护阻力小，不能有效控制空巷变形，且木材消耗量大；锚索锚杆支护只针对小断面空巷支护效果明显；采用充填材料对空巷进行全部充填能有效改变空巷围岩体受力状态，提高巷道稳定性，但充填材料消耗大，成本过高。因此，针对超长工作面过大断面空巷，提出了充填支柱支护技术，从充填支柱材料、充填系统及施工工艺等方面对高水材料充填支柱支护体系进行完善，并通过力学试验测试充填支柱的承载性能。在超长综采工作面过大断面空巷中以充填支柱支护为主、空巷两帮煤壁超前预注浆加固为辅综合治理空巷，使工作面顺利通过大断面空巷。

1 工程概况

成庄矿5314工作面开采山西组3#煤层，采高约6.0 m，工作面走向长度1 455 m，倾向长度356 m，是成庄矿第一个大采高超长综采工作面。

由于工作面回采计划调整，不再进行“甩刀把”作业，因此原对接切眼即成为空巷，对接切眼断面宽8 m×高4 m，空巷平行于工作面布置长189.3 m，为工作面倾向长度的53.1%，工作面矿压显现剧烈，严重影响工作面的正常推进。5314工作面巷道布置见图1.

图1 5314大采高工作面巷道布置图

2 超长工作面过大断面空巷支护分析

5314超长工作面内大断面的平行空巷，避不开工作面周期来压显现，再加上大断面空巷周围较高的应力集中，叠加应力作用致使煤壁破碎，顶板漏顶严重；并且在超前支承压力的作用下，基本顶极易在空巷上方发生超前断裂；大采高超长工作面周期来压步距短，工作面长，每日工作面的不同部位均会发生矿压显现，空巷来压显现及顶板下沉具有时差性及区域性。

根据S-R失稳理论，空巷的支护强度应能平衡基本顶的滑落失稳力，否则易引发大面积片帮及冒顶。鉴于对接切眼空巷有以上特性，超长工作面大断面空巷支护必须要有足够的支护强度以及合理的让压性能，并且要保证空巷两帮煤壁的稳定性。

3 充填支柱支护技术

充填支柱是一种新型的支护技术，起源于美国，广泛应用于房柱式开采中替代煤柱支护顶板结构。设计为两层：上部让压层，下部承载层。让压层主要为发泡材料，为顶板合理下沉让压提供一定的空间，下部主要为承载层，一般为混凝土材料，提供了支护强度，控制顶板下沉。充填支柱整体强度可以通过调整材料配比实现，合理的让压性和支护强度有效满足大断面空巷的支护需求，且成本较低，易于采煤机切割可代替木垛或单体支柱，适用于井下临时或永久支护等。

充填式支柱又称可注式支柱，根据支柱承载层材料的不同可分为混凝土充填支柱和高水材料充填支柱，主要结构由承载体和支柱充填模袋组成。

3.1 充填支柱材料特性

充填支柱承载层主要为高水材料，选用双液无机粉体组份构成，硫铝酸盐水泥熟料为主料，石膏和石灰为辅，添加一定外加剂，按照比例混合粉磨而成。双液充填支柱材料性能主要表现为快凝、早强、高渗透性、结石率高等，凝结时间和胶结强度可调。具体有以下特点：

1) 两种浆液在混合前，6 h内浆液不凝固、不泌水、不沉淀。

2) 两种浆液混合后，0～5 min失去流动性，5～15 min完全固化。

3) 浆液在(0.5～2)∶1水灰比下浆体结石率可达100%.

4) 结石体2 h的强度能达到8～13 MPa.

不同水灰比条件下充填支柱材料固结强度见表1.

表1 充填支柱材料性能参数表

3.2 充填支柱充填系统

充填系统主要由2台气动定量水箱，2台高速搅拌机，2台低速搅拌机，1台大流量液压注浆泵及相关管路组成，见图2.

按照既定水灰比设计水箱的放水临界点控制水量，当水进入高速制浆机时，按照要求上料，经过高速制浆机的均匀搅拌，打开气控阀，两种浆液通过注浆泵输送至充填膜袋。充填过程中严格控制充填材料浆液水灰比，保证高水材料充填支柱的强度。

3.3 充填支柱施工工艺

充填支柱施工工艺流程设计为：准备工作(支柱布置位置选取、巷道底板清理、材料就位、膜袋检查、设备调试、管路连接等)→吊挂柔模袋→固定模袋→下部支柱材料泵送充填→固结成型→上部发泡材料充填→防护措施安装，拆除木板。

3.4 充填支柱承载性能试验

高水充填材料水灰比选用1.2∶1，浇筑d500 mm×高1 500 mm充填支柱，养护3天后对充填支柱进行单轴抗压试验，研究高水材料充填支柱的整体承载性能。试验过程中，由于试验机压缩行程小，在支柱达到峰值强度后卸载，并进行二次加载。试验曲线见图3.

根据图3可知，高水材料充填支柱峰值强度与材料本身强度有关，为10.65 MPa，但加上膜袋与外部环筋结构后，充填支柱的压缩量89 mm，残余强度达到9.1 MPa，可达峰值强度的85%. 通过对高水材料充填支柱承载性能试验发现，其承载能力强，刚度较大，有一定的让压性能。

图2 充填系统组成示意图

图3 高水材料充填支柱承载曲线图

4 工程应用及效果检验

4.1 充填支柱设计及布置方式

结合5314工作面地质条件，充填支柱设计强度为13 MPa，按照1 m柱径计算，可对顶板产生约700 t的支撑力。由于高水材料充填支柱自身的变形量小，因此充填支柱上部设计300 mm的发泡材料以提供合理的让压性能，发泡材料强度约为2 MPa，支柱变形率可达40%. 在膜袋结构作用下，充填支柱具有较高的残余强度，承载性能稳定。

高水材料充填支柱在对接切眼空巷内布置3排支柱，支柱直径1 m，支柱间排距均为1.5 m，排距1.7 m. 且在机头硐室适当加密布置，充填支柱布置见图4.

图4 充填支柱布置设计图

4.2 锚杆锚索补强

空巷原有锚杆锚索设计为顶板每排6根锚杆，间排距1 m×1 m，每排3根锚索，间排距1.6 m×2 m；两帮每排5根锚杆，间排距1 m×1 m，每排3根锚索，间排距1.6 m×2 m. 为了有效控制空巷的变形，防止发生冒顶事故，在原支护基础上，补打锚索梁，一梁两索，交叉布置，锚索长度均为7.4 m.

4.3 煤壁注浆加固

在对接切眼巷道中向空巷两侧煤体中布置上下两排钻孔，煤柱侧钻孔深度设计为20 m、孔径42 mm，钻孔呈“三花”布置；下排钻孔开孔高度1.3 m，钻孔仰角2°，钻孔间距6 m；上排钻孔开孔高度2.8 m，钻孔水平布置，钻孔间距6 m，待采区一侧钻孔深度为10 m，其余参数与煤柱注浆参数保持一致，钻孔布置见图5.

图5 注浆钻孔布置示意图

4.4 效果检验

通过在空巷布置测点观测空巷变形量分析此次工程效果。监测数据显示，随工作面的推进，对接切眼前方20 m位置围岩开始发生变形，中部顶板下沉量、两帮收缩量以及底鼓量都大于两端头范围。基于工程安全考虑，在工作面距离空巷12 m时进行最后一次巷道变形测量，顶板最大下沉量350 mm，中部两帮移近量最大280 mm，巷道底鼓量最大230 mm，大断面空巷变形得到有效控制，最终超长工作面顺利通过空巷。

5 结 论

1) 针对超长工作面过大断面空巷，提出了高水材料充填支柱支护技术，从材料、充填系统及施工工艺等方面形成了完整的支护体系。该技术支护施工速度快，易被割煤机切割，能有效保证采煤机揭露和通过空巷时顶板和煤帮的稳定性。

2) 通过充填支柱承载性能试验分析，高水材料充填支柱的承载能力强峰值强度可达10.65 MPa，外部膜袋结构能够使充填支柱残余强度提高至峰值强度的85%. 高水材料充填支柱的承载性能稳定，适用于大断面空巷支护。

3) 5314超长工作面以充填支柱支护为主、空巷两帮煤壁超前预注浆加固为辅过大断面空巷的综合治理手段，有效控制了大断面空巷的变形，超长工作面顺利通过。