泵送支柱技术在工作面过空巷中的应用分析

王瑞华

(山西煤炭运销集团寿阳亨元煤业有限公司，山西 晋中 045400)

矿井综采工作面开挖施工中，因地质条件及结构等多方面因素的影响，工作面作业具有繁杂性，再加上小煤窑存在偷采现象，使得内部巷道的布置存在混乱性，综采过空巷作业受到诸多阻碍，不利于工作的顺利进行。为此，很多专家学者针对综采过空巷问题实行探讨，在原有支护技术的基础上对过空巷技术予以创新和优化，以期改进施工质量，维护综采过空巷施工安全作业。

1 项目简介

某煤矿工作面主采12#煤，工作面总体长度约242 m，煤层厚度在3.5 m～4.4 m，倾斜角度最大不超过3°，埋深距离约在80 m～120 m，属于近水平浅埋煤层。在综采工作面作业中，推进距离在1 250 m左右，为改进施工质量，选用大采高一次采综合机械化开采设备，开采高度控制在3.8 m左右。

在现场煤层结构调查中了解到，煤层结构共分为直接顶、基本顶和直接底三部分，其中直接顶结构是由中粒砂岩、粉砂岩、细粒砂岩构成的，厚度约在7.5 m；基本顶由砂质泥岩、细粒砂岩混合构成，厚度在21 m左右；直接底则是由粉砂岩、砂质泥岩、中粒砂岩混合构成的，厚度在5.3 m左右。

此外，在现场勘查中发现，本开采作业因受到小煤窑偷采问题的影响，在工作面中预留较多废气巷道，尤其是中部区域最为明显，巷道尺寸为5 m×3.8 m，顶板近采用了锚杆、锚索、钢梁及单体结构的联合支柱措施，这使得在工作面过空巷作业中，很容易因压力的增大而导致工作面出现切顶或冒顶问题，进而增加多空巷施工的危险性，加大施工难度。基于此，在工作面过空巷作业中，有必要采用泵送支柱技术对其予以支护保护，确保设备顺利通过空巷位置。

2 泵送支柱技术

泵送支柱技术作为目前工作面过空巷采用的新型技术，在实际应用中具有以下几方面优势：首先，泵送支柱技术可有效增大顶板结构的支护强度，替换原有的木垛或单体液压支护，增强顶板结构稳定性；其次，该技术在实际应用中具有很好的切割性能，可加快过空巷的通过速度，有助于推进；最后，该技术的应用增强了过空巷顶板结构的抗压变形能力，减少顶板破坏时对作业安全产生影响[1]。

泵送支柱技术在国外综采工作面过空巷作业中得到了广泛的应用，且凭借其良好的支护效果，该技术得到了进一步推广，我国对该技术的引入时间较短，不过其发挥的作用却较为显著，有必要加大对其重视力度。

泵送支柱技术在应用中需要的材料有可填充无机材料和充填袋这两种。其中可填充的无机材料以硅灰、矿粉、硅酸盐水泥这三种为主。在实际应用前，需要结合现场作业需求合理确定原材料配比，优化材料性能。在实际作业中，将混合后的材料利用输送泵运送到充填袋中，使其形成高强度的变形量支柱，以此达到支护效果。充填袋大多以圆柱形结构为主，外层使用的材料为PVC涂布，涂布内设置高强度的塑料绑带或钢丝材料，起到束缚作用，确保混合料输送到充填袋后，能够按照充填袋结构形状形成稳定且高强度的支柱。

另外，充填袋还具有防火和较强的抗拉延展性能，能够提高形成支柱的质量，减少不良因素对其的影响。目前在工作面过空巷作业中，由于现场环境的不同，填充袋的尺寸也会存在差异，相应的支柱直径也会有所不同，最常出现的支柱直径以0.5 m、0.6 m、0.8 m和1.0 m这四种为主。

同传统的锚杆支护、木垛支护方式相比，泵送支柱支护能够更好地提升支护效果，增强抗压变形能力，维护过空巷的安全作业，再加上自身具有的可切割性，在实际作业中可有效改进施工效率，降低施工难度[2]。泵送支柱一般是由两层充填体构成的，上层厚度控制在300 mm左右，形成较为稳固的让压层，避免顶板结构出现变形问题。单体的泵送支柱其承载能力可达到10 kN～50 kN，满足了工作面过空巷施工作业的要求。且在发挥可切割性的同时，不会对其他设备带来任何影响，相反还有助于提高设备施工效率，降低作业危险性。基于泵送支柱的上述特点,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,既能增强巷道围岩稳定性,又可以保证煤机安全顺利地通过空巷。

3 泵送支柱试验

为方便工作人员进一步了解泵送支柱技术的功能和作用，通过模拟试验方式对泵送支柱的性能实行检测[3]。本次试验中，制作了一个直径200 mm、高600 mm的圆柱泵送柱体。其中的混合填充料约550 kg，在填充料配置过程中，水灰比控制在1.2～1.4，将填充料凝结时间控制在3 min～7 min，浆体的湿比重控制在每立方米1 300 kg～1 450 kg左右。试验过程中，分别对装有让压层和未装有让压层的柱体实行试验测试，了解泵送柱体强度变化情况。本次试验政体测试周期约20 d。

在试验阶段内，不同时间段内泵送柱体抗压强度值分别为：2 h的抗压强度为1.2 MPa；4 h的抗压强度为2.8 MPa；1 d的抗压强度为3.6 MPa；3 d的抗压强度为5.2 MPa；一星期的抗压强度为7.4 MPa；14 d的抗压强度为9.6 MPa；20 d的抗压强度为15 MPa。泵送柱体应力测试结果为：第一屈服点中，有让压层柱体的应力值约16.8 MPa；第二屈服点中，有让压层柱体的应力值约20.4 MPa；第一屈服点中，无让压层柱体的应力值约7.6 MPa；第二屈服点中，无让压层柱体的应力值约15.2 MPa；有让压层的残余强度为12.2 MPa；无让压层的残余强度为11.7 MPa。两者均存在屈服破坏的情况。

通过对所得数据的分析可以看出，在单轴压力的作用下，泵送支柱最大可承受的承载力在20.4 MPa左右，相当于50 mm左右的距离。而在第二屈服点后，其承载力逐渐下降，直到达到屈服破坏值后，柱体出现轻微的破坏现象，待达到最大残余强度后，才会出现明显的变形问题，这足以说明泵送支柱的承载力较强，可以很有效加强顶板结构的稳定性。

另外，在本次试验中，通过对有让压层和无让压层的情况进行了分析对比，得出的结果为，有让压层的支撑结构其强度要明显高于无让压层的支撑结构，且承担荷载及承担的变形量也逐渐增加，说明有让压层的泵送支柱可以起到支撑保护顶板结构的作用，满足工作面过空巷作业的需求[4-5]。

4 工程实践

结合本工程项目的实际情况，在过空巷作业中，设置了泵送支柱作为主要支柱设施。泵送支柱的尺寸控制在1 m左右，并在顶端部位设置了一层厚度在300 mm左右的让压层，以此来增大支柱的强度。泵送支柱的高度则以空巷高度为准进行设置，一般情况下约3.5 m左右。在整个区域内平均设置了两排泵送支柱，共134根，间距控制在3 m×3 m左右，两侧煤壁间距要控制在0.5 m左右。

将泵送支柱技术应用到工作面过空巷作业中后，在施工过程中一共发生2次大面积的来压，这使得支架压力呈现上升趋势，增幅较正常压力增大了近2.7%左右。但对于空巷围堰结构来说，在高压作用下，并未出现冒顶、帮鼓及底鼓等情况，岩层结构的稳定性较高，虽然顶板位置及两帮位置出现一定的位移，位移间距分别为282 mm和152 mm，但并未对结构稳定性产生严重破坏，在过空巷期间未出现严重的失稳情况，保障了开采作业的顺利进行。

5 结语

根据上述实践研究及试验测试可以看出，泵送支柱技术在工作面过空巷作业中的合理应用，有效提升了工作面过空巷中支撑面的承载能力，加大顶板结构的强度，且通过可切割性能的充分发挥，降低过空巷作业的难度，提高了工作效率。另外，泵送支柱技术的引用也加强了结构的支护效果，保证结构稳定性，避免危险事故的发生。除此之外，在试验分析过程中，通过有让压层与无让压层的试验结果的对比分析，了解到泵送支柱技术在实际应用中，合理设置有让压层能够有效增大顶板结构的强度，减少变形问题的产生，增大总体承压能力，以此促进工作面过空巷作业的顺利开展，全面改进综采工作面的施工质量。