2-208 工作面过空巷围岩控制技术研究与应用

李曜彤

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

1 工程概况

山西霍州煤电集团辛置煤矿2-208 位于310 水平二采区轨道巷左侧，为二采区系统巷道煤柱回收工作面，北面紧邻二采区轨道巷、皮带巷，南面距离二采区右翼皮带巷110 m，西面距离二采区回风巷25 m，东面距离2-202 工作面采空区最小间距为63 m。工作面开采2#煤层，煤层厚度为3.8～4.3 m，平均厚度4.1 m，煤层倾角为2°～6°，平均倾角为4°。煤层顶板岩层为泥岩、砂质泥岩和K8 中细砂岩，底板岩层为泥岩和中砂岩。

2-208 工作面走向长度为175 m，倾斜长度为579.5 m，采用一次采全高采煤方法，采高3.8～4.3 m（平均4.1 m），循环进度为0.8 m，工作面支护选用ZY9000/24/45 型掩护式液压支架。由于2-208 工作为煤柱回收工作面，工作面回采过程中遇到原有大巷联络巷，联络巷基本与工作面切眼相平行。现为保障工作面回采推进通过空巷期间的安全，拟采用空巷充填技术保障空巷围岩稳定。

2 空巷充填支护参数分析

现为保障2-208 工作面回采推进空巷期间围岩的稳定，采用FLAC3D数值模拟软件，进行空巷充填支护参数的分析，具体分析工作面回采时，工作面与空巷间煤柱的临界安全宽度及空巷充填体的合理强度。

根据工作面顶底板岩层赋存情况，结合工作面特征，建立长×宽×高=120 m×120 m×16.8 m的数值模型。固定模型底板及侧边的位移，在模型上方施加覆岩的自重载荷，模型采用摩尔库伦准则[1]，根据工作面顶板岩层力学特征进行各项参数的取值。具体以工作面推进通过空巷时进行模拟分析，模型建立时在工作面前方80 m 的位置处设置空巷，空巷断面为长×宽=4.2 m×3.2 m。

（1）工作面与空巷间煤柱的临界安全宽度分析

基于上述数值模拟模型，设置工作面回采至距离空巷20 m、15 m、10 m 和7 m 时，进行围岩塑性区的分布特征的出图分析，具体如图1 所示。

图1 工作面距空巷不同距离时围岩塑性区发育特征图

通过分析图1 可知，在空巷未进行充填时，随着空巷与工作面间距离的减小，煤柱塑性区逐渐发育，弹性核区逐渐减小。在煤柱宽度为15 m 时，此时煤柱局部出现塑性区贯通的情况，煤柱大部分区域未出现塑性破坏，具有一定的承载能力。在煤柱宽度为10 m 时，工作面与空巷间的煤柱已经完全进入塑性状态，且空巷上方岩层的塑性区也逐渐发育，此时由于工作面与空巷的煤柱宽度已经达到临界安全宽度，致使煤柱基本丧失了承载能力。在煤柱宽度为5 m 时，此时空巷上方及煤柱区域的塑性区进一步发育，煤柱处于失稳状态。

基于数值模拟结果，结合上述分析能够得出，工作面与空巷间临界的煤柱宽度为10 m，即表明在进行充填作业时，需在工作面与空巷间的距离大于10 m 前完成。

（2）充填体强度分析

为合理确定充填体宽度，通过采前充填方式模拟空巷充填，设置充填体强度为2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa 和6 MPa。根据数值模拟结果，能够得出不同充填体强度下工作面回采时充填体压缩性量和横向变形量曲线图，如图2 所示。

图2 充填体变形曲线图

分析图2 可知，随着充填体强度的增大，工作面推进通过充填体时，充填体的压缩量和横向变形量均逐渐减小。充填体强度由2 MPa 增至3 MPa时，充填的压缩量呈现为急剧下降的趋势，充填体的横向变形量也出现明显的下降；当充填体强度由3 MPa 增大为4 MPa 时，此时充填体压缩量及横向变形量的下降趋势均逐渐变缓，其中压缩量下降趋势变缓较为明显；充填体强度4 MPa 时，压缩量和横向变形量分别为0.22 m 和0.28 m；当充填体强度大于4 MPa 时，此时随着充填体强度的增大，压缩量的降低量逐渐减小，横向变形量的降低幅度也逐渐减小。这即表明充填体强度大于4 MPa 时，强度的增加对充填变形量的影响较小。

综合上述分析可知，在充填体强度为4 MPa 时，充填体的变形量满足回采使用要求。

3 围岩控制技术

3.1 充填方案

（1）充填材料配比

根据上述数值模拟结果可知，要保障2-208 工作面顺利通过空巷区域，需使充填体的强度达到4 MPa。综合目前我国现有的充填材料，确定采用高水材料进行空巷充填。现为选取高水材料的合理水灰比，进行不同水灰比、不同养护时间下高水材料凝固体的强度试验，根据试验结果绘制出凝固体强度曲线，如图3 所示。

图3 不同水灰比、养护时间下凝固体强度曲线图

分析图3 可知，当养护时间相同时，随着高水材料水灰比的增大，材料凝固体的强度会逐渐减小。在水灰比为0.5 时，此时凝固体在养护2 h 时的强度能够达到24.2 MPa；当水灰比为7.0 时，此时凝固体养护2 h 的强度仅为2.4 MPa。另外从图中能够看出，高水材料在相同水灰比下，凝固体的强度随着养护时间的增长而逐渐增大。

结合上述数值模拟结果可知，空巷充填体的宽度需达到4 MPa，故综合确定高水材料的水灰比为4:1。

（2）充填方法

根据2-208 工作面内空巷的具体特征，确定采用全袋式充填法进行充填作业。在空巷内部全部布置充填袋，随后再在袋内充填材料，当浆液凝固后，即能够对上覆岩层起到支撑作用。本次一次充填宽度为2 m。具体全袋式充填法如图4 所示。

图4 全袋式充填法示意图

3.2 工作面调斜方案

在工作面推进通过空巷区域时，将工作面调斜一定的角度，以充分降低工作面液压支架所承受的压力[2-3]。工作面调斜需要进入空巷前完成。工作面调斜如图5 所示。

图5 工作面调斜示意图

图5 中的工作面调斜角度主要由空巷的宽度和长度决定，具体工作面调斜角度θ 表达式为：

式中：b 为空巷的宽度，m；L 为空巷的长度，m。根据2-208 工作面内空巷的赋存情况，空巷的宽度基本在5 m，长度最长为120 m，据此能够计算得出2-208 工作面通过空巷时的调斜角度θ=22.6°。

3.2 效果分析

为分析空巷充填效果，在工作面推进通过空巷区域时进行液压支架压力的监测作业，ZY9000/24/45 型掩护式液压支架额定工作阻力为9000 kN（35.8 MPa）。根据监测结果绘制出支架压力与工作面距空巷距离曲线，如图6 所示。

图6 工作面过空巷期间液压支架曲线图

分析图6 可知，当工作面推进至距离空巷50 m时，液压支架的工作阻力开始逐渐增大，当工作面与空巷间的距离小于20 m 时，支架的工作阻力开始大范围的增大。液压支架的最大工作阻力在工作面推进至空巷位置时达到最大值，为35.4 MPa，与支架额定工作阻力之间仍有1.1%的富裕系数。且工作面回采过程中，煤壁无片帮现象，支架受力正常，无压架现象出现。

4 结论

根据2-208 工作面及空巷赋存特征，通过数值模拟确定工作面与空巷间临界的煤柱宽度为10 m，充填时充填体的强度应达到4 MPa。基于数值模拟结果，进行空巷充填方案的设计，设置工作面调斜通过空巷区域，调斜角度为22.6°。根据工作推进过空巷期间的支架工作曲线可知，空巷区域围岩控制效果良好。