泵送支柱技术在工作面过空巷中的应用

王 震

(神东煤炭集团 石圪台煤矿， 陕西 榆林 719000)

矿井回采条件复杂，工作面煤层中常构筑一些特殊用途的巷道，由于小煤窑的偷挖乱采，煤层中会遗留不规则的回采巷道。这些遗留的空巷给后期矿井的安全开采造成了极大的困难[1-3]. 诸多学者针对综采工作面过空巷技术，基于传统支护方法进行了研究，在一些矿井过空巷过程中起到了一定的作用，但是由于地质条件的复杂性，研究成果在不同的矿井表现出的效果也不相同[4-5]. 以石圪台煤矿22406-2综采工作面过空巷为背景，提出了泵送支柱过空巷技术，以保证工作面安全顺利通过空巷。

1 工程概况

22406-2综采工作面位于石圪台井田22煤四盘区，工作面煤层埋深95～110 m. 工作面宽度223.6 m，推进长度煤层厚度4.4～4.7 m，工作面设计采高4.5 m，推进长度893.9 m. 工作面共布置132台ZY12000/25/50D液压支架支护，基本顶为粉砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩，平均厚度17.2 m；直接顶为细粒砂岩、粗粒砂岩，平均厚度5.7 m；直接底为泥岩、粉砂岩、中粒砂岩，平均厚度6.2 m.

空巷与工作面位置关系见图1. 空巷宽度均为5.4 m，巷高3.8～4.8 m，空巷间煤柱15 m. 空巷在掘进时采用锚网索联合支护，工作面在过空巷期间，极易发生切顶、大面积冒顶等现象，严重影响安全生产。

图1 22406-2综采工作面与空巷相对位置关系图

2 泵送支柱技术

泵送支柱在国外被广泛应用于矿山巷道支护中，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、可变现的支柱。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。

22406-2工作面采用了泵送支柱对空巷进行提前支护，空巷内共设计两排支柱，设计支柱尺寸为1.0 m，支柱高度根据空巷高度确定，平均高度4.5 m，每个空巷内共布置2排支柱，每排23根，支柱间距10.0 m，排距3.0 m，距离空巷两帮各1.0 m. 支柱布置见图2.

图2 泵送支柱布置图

3 数值模拟分析

为了分析泵送支柱对空巷的支护作用，通过建立FLAC数值模拟模型，对工作面距离空巷5～30 m位置时，空巷围岩应力状态及变形进行分析。

考虑到工作面的对称性，模拟工作面宽度的一半111.8 m，在工作面两侧留20 m保护煤柱，即模型总宽度151.8 m；模拟工作面推进长度200 m，推进方向起始两侧留50 m实体煤，模型总长度300 m. 模拟22406-2工作面顶板岩层60 m，煤层厚度4.5 m，工作面底板厚度15 m，即模型高度为79.5 m，模型尺寸151.8 m×300 m×79.5 m. 模型顶部根据工作面埋深施加均布载荷，两侧限制水平方向位移，模型底部限制垂直方向位移。为了更准确地分析工作面推进过程中，空巷在泵送支柱支撑下围岩受力状态，模型对工作面空巷前后30 m范围内的网格进行了细分，其余位置按照距离空巷越远网格划分逐渐增大。工作面距离空巷不同位置时，空巷围岩受力状态见图3.

图3 工作面距空巷不同距离时空巷围岩应力变化特征图

由图3可以看出，随着工作面距离空巷越来越近，工作面与空巷之间煤柱应力状态先后经历了“双峰”—“孤峰”—“双峰”的变化。距离空巷30 m时，煤柱垂直应力两个峰值均为32.6 MPa，当距离空巷15 m时双峰彻底消失，变为孤峰，峰值为36.8 MPa；当距离空巷10 m时，再次出现双峰的应力分布，说明泵送支柱此时受到了较大的超前应力影响；当工作面推进到距离空巷5 m时，双峰并没有消失，说明此时泵送支柱完全承受住了工作面采动的影响，承受的载荷较大，但并未破坏。工作面距离空巷不同位置时，空巷围岩移近量变化见图4.

图4 工作面距空巷不同距离时空巷围岩移近量变化特征图

由图4可知，随着工作面不断推进，空巷围岩移近量呈现先增大，后趋于稳定的特征。当距离空巷25 m时，空巷顶底板及两帮移近量开始逐渐增大，当距离空巷10 m左右时，空巷顶底板、两帮移近量达到最大，顶板下沉量达400 mm，两帮移近量达200 mm. 随着工作面继续推进，顶底板及两帮移近量均出现了小幅变化，整体变形量不大，说明泵送支柱能够承受工作面超前应力，保证安全通过空巷。

4 工程实践

22406-2综采工作面过空巷过程中，20～110架顶板下沉0.1～0.8 m，主要以片帮为主，两帮片帮深度200～500 mm；过空巷过程中的泵送支柱顶部有明显的变形，受力较大，煤机截割时块度较小，截割后剩余部分依然能起到支护作用，残余支撑强度较高，始终对空巷顶板起到了较好的支撑作用。过空巷期间泵送支柱易于截割，未出现失稳倾倒等情况，能够承受顶板强烈来压，保证了工作面安全顺利通过空巷。

5 结 论

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，适合井下动载压力情况下巷道被动支护。

2) 通过数值模拟分析工作面推进过程中空巷围岩受力及变形情况，得出了空巷围岩受力状态呈现“双峰”—“孤峰”—“双峰”的变化，空巷围岩移近量先增大，后趋于稳定。充分说明泵送支柱能够承受工作面超前应力，保证安全通过空巷。

3) 在22406-2综采工作面现场应用了泵送支柱技术，在工作面过空巷期间，未出现煤柱压垮、空巷严重破坏的现象，空巷整体结构完整，泵送支柱安全可靠，该项技术为工作面安全顺利过空巷提供了良好的技术保障。