工作面过空巷充填开采支护研究

李俊堂

(山西离柳焦煤集团有限公司， 山西 吕梁市 033000)

随着我国煤炭技术的不断进步，相应的技术指标也随之增加，“十三五”期间我国对于现代化矿井建设的总体要求为提高煤炭资源采收率、实现煤矿高效安全生产，而我国煤矿地质条件复杂，由于某些巷道构筑在本煤层工作面之中、矿井不同历史阶段扩建以及历史上小窑区乱开乱采等因素，导致众多矿井存在工作面过空巷、废巷以及老窑区问题。当工作面在通过这些空巷、废巷以及老窑区时，常常出现顶板超前压力增大，同时发生较严重的下沉问题，空巷顶底板移近量变大，甚至发生压架、倒架等严重问题，影响工作面的正常回采，对煤矿高产高效发展造成困难以及产生较大的经济损失。当工作面过较大宽度的空巷时，往往采用重新开切眼、二次移架搬家的方式，造成大量的煤炭资源浪费，煤炭采收率大大降低。因此如何安全、高效的解决大采高工作面顺利通过空巷、废巷，不发生透顶、压架、倒架、倒壁等其他生产事故，是煤矿科技工作者急需解决的一个重要课题[1-6]。

对于工作面过空巷的治理问题，国内外众多学者进行了大量研究[1-5]。谢生荣[7]等基于综放工作面过空巷围岩稳定性差的问题，提出了过空巷综合控制技术，并阐述了控制机理，进行了应用实践，解决了过空巷围岩稳定性差的问题；周海丰[8]针对神东矿区综采面过空巷时的冒顶和压架问题，总结了等压开采技术并进行了应用实践，防止过空巷期间工作面发生冒顶事故；白晓生[9]通过分析煤层开采受小窑空巷严重影响的问题，提出了马丽散充填加固过空巷的技术方法，能够有效控制顶板移动；段春生[10]通过分析资源整合矿井，分析了过空巷支护技术，阐述了资源整合矿井过空巷的技术；宋斌[11]以大采高工作面为试验对象，解决工作面过空巷瓦斯和顶板移动为出发点，提出了基于地质特征的技术措施，很好地解决了工作面过空巷的问题。

以上学者的研究仅仅是对治理进行了分析，而工作面回采过程中，上覆岩层必然发生下沉，最终垮落，由于回采作用而引起的覆岩运动，必然导致空巷围岩变形破坏，在进行研究工作面过空巷治理问题，必须对于采场覆岩结构进行分析[1-7]。

本文通过数值模拟和现场工业性试验相结合的综合研究方法，分析覆岩特征，提出高性能、具有经济技术可行的支护材料和支护工艺系统，并进行工作面实践验证。

1 工程概况

山西赵庄矿工作面 5301为大采高工作面，工作面走向长度1 549 m，倾向长度，煤层平均厚度6 m，为近水平煤层。工作面采用一次采全高开采方式，老顶为细粒砂岩，厚度约为6.14 m，以均匀层理为主；直接顶为粉砂岩，厚度约为3.45 m，有交错层理发育，含有植物化石；伪顶为泥岩，厚度约为0.6 m；工作面直接底为粉砂岩，厚度约为2.71 m，含有植物化石，有波状层理发育；老底为砂质泥岩，厚度约为4.8 m，有波状层理发育。

工作面含有5条顺槽，属于三进两回的通风方式。巷道为矩形巷道，采用锚网支护以及锚索补强，工作面存在 4条空巷(三条平行一条垂直，共314 m)。

2 工作面过空巷围岩应力分布特征

2.1 模型建立

采用数值模拟对工作面过空巷围岩应力以及位移特征进行研究，采用FLAC3D进行模拟计算，将模型的三维尺寸设置为长300 m、宽200 m、高100 m，工作面采空区设置30 m的保护煤柱作为边界，工作面煤厚为6 m，采用一次采全高开采工艺。由于工作面埋深为300 m，因此，在其上部要加上覆岩的载荷，采用P=γH，γ取27 kN/m3，计算可得P=8.1 MPa，因此，在垂直方向上增加8.1 MPa的载荷，工作面覆岩力学参数如表1所示。

表1 工作面覆岩力学参数

2.2 开挖应力分析

沿工作面走向与倾向方向应力分布特征分别如图1所示。

由图1可知，工作面在回采过程中在走向和倾向上应力分布不同。当推进距离为10 m时，走向与倾向最大应力为2.7 MPa和2.8 MPa；当推进距离为15 m时，走向与倾向方向主应力降低，都降为2.5 MPa；当推进距离为20 m时，主应力进一步降低，降低到2.4 MPa和2.25 MPa。在推进过程中，走向方向煤柱承受应力由 0.75 MPa增加到 2.6 MPa，倾向方向靠近空巷处的应力较大，其最大值为3.1 MPa，说明受采动影响的距离程度越来越大。因此，在过空巷回采过程中应该进行加固处理[1,6,12-13]。

图1 工作面应力分布特征图

3 泵送充填支柱系统试验研究

3.1 泵送充填材料试验研究

泵送充填支柱材料主要是由超细硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、石膏等其他无机活性材料混合而成。根据正交试验确定其最优配比为硫铝酸盐水泥掺量50%、石灰掺量25%、生石膏掺量20%，其凝结速度与力学特性分别如图2所示。由图2可知，其抗压强度随着水灰比的增大而逐渐变小，凝结时间逐渐变大，能够适应其变化特征[1,6,12-13]。

3.2 试验分析

对充填材料无、有支柱膜袋进行试验分析，结果见图3。

图2 材料性能变化曲线

图3 充填材料力学特性曲线

由图3可知，泵送充填支柱无充填膜袋随着时间的推移其位移逐渐增大，其破坏主要以脆性破坏为主，与普通水泥类似，弹模小，不利于工程支护。而泵送充填支柱材料充填入支柱膜袋后其强度大幅提高，其变形特征主要分为让压变形和屈服应力变形，在支护初期其变形较大，随着时间的推移由于自身的屈服受力特征，其位移基本无变化。因此，泵送充填支柱材料充填入支柱膜袋对于稳定顶板具有较好的支护作用，有利于控制顶板的稳定性[1,6,12-13]。

4 应用研究

4.1 支护方案

对工作面横川布置泵送充填支柱，布置两排支护支柱，形成“三花”交错布置。

4.2 支护效果分析

（1）矿压监测。工作面共设置了10个压力监测点，对其中的一个监测点进行分析，得出工作面过空巷前支柱上的压力基本是平稳的，没有异常来压显现，说明支柱有效支撑了顶板来压。当揭露空巷后支柱压力开始增大，说明老顶开始弯曲断裂，工作面支架刚好可以支撑到空巷顶板起到很好的支撑作用。

（2）工作面顶底板及煤壁稳定性观测。工作面煤壁未发生过一次片帮现象，最大顶板下沉量和底鼓量均在300 mm以内，下沉量和底鼓量均得到了有效控制。

（3）割煤特征。工作面支护支柱起到了很好的支撑作用，采煤机能够顺利地进行采煤，安全地回采了整个工作面。

5 结 论

（1）工作面在回采过程中在走向和倾向上应力分布不同。当推进距离为10 m时，走向与倾向最大应力为2.7 MPa和2.8 MPa；当推进距离为15 m时，走向与倾向方向主应力降低，都降为2.5 MPa；当推进距离为20 m时，主应力进一步降低，降低到2.4 MPa和2.25 MPa。在推进过程中，走向方向煤柱承受应力由0.75 MPa增加到2.6 MPa，倾向方向随着推进靠近空巷处的应力较大，其最大值为3.1 MPa。

（2）泵送充填支柱无充填膜袋随着时间的推移其位移逐渐增大，其破坏主要以脆性破坏为主，不利于工程支护。而泵送充填支柱材料充填入支柱膜袋后其强度大幅提高，其变形特征主要分为让压变形和屈服应力变形，在支护初期其变形较大，随着时间的推移由于自身的屈服受力特征，其位移基本无变化。