特厚煤层工作面过空巷强力墩柱支护技术研究及应用

田锦州

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

受煤矿产能整合及无序开采的影响，我国许多煤矿都存在着工作面回采过程中需穿过空巷的问题，而工作面超前支承压力易造成空巷顶板大面积垮落，从而引发压架、倒架等事故，严重影响了煤矿的安全高效生产[1，2]。针对这些问题，我国学者在空巷变形破坏特征、支护技术等方面进行了深入研究。柏建彪等针对空巷上方的基本顶建立了 “关键块”模型并计算了保持空巷“关键块”稳定所需的支护阻力[3]；王卫军等分析了综放工作面过空巷时上覆岩层的活动规律及支架的受力状况[4]；刘畅等分析了过空巷时工作面基本顶的超前断裂力学机理和影响因素[5]；张自政等建立了基于综放工作面超前采动影响的空巷顶板力学模型，分析了空巷顶板稳定性与支护之间的相互作用关系[6]。目前空巷支护中常采用锚杆(索)索支护、注浆加固及高水材料充填等方式[7-15]。本文在前人研究的基础上，通过数值模拟、实验室实验及现场工程应用相结合的方法提出了特厚煤层工作面过空巷强力墩柱支护技术，现场应用效果良好，可为类似工程提供借鉴。

1 矿井生产地质条件

山西柴沟煤矿主要开采5号煤层，煤层平均厚度11.3m，倾角3°，其1516工作面采用走向长壁后退式综放采煤法，煤厚13～15m，割煤高度3.2m，其余放顶煤，工作面长度245m。工作面直接顶为砂质泥岩，平均厚度约4m，基本顶为砂岩，平均厚度约27m，直接底为砂质泥岩，平均厚度约1.2m。

工作面布置情况如图1所示，柴沟煤矿1516工作面前方存在5条空巷，通过1号—3号空巷时采用了单体液压支柱支护方式，在工作面过空巷过程中，顶板局部较为破碎，甚至多次出现漏顶，因此为保证工作面快速、安全的通过后续空巷，设计对4号空巷内进行了强力墩柱支护，以期解决柴沟煤矿特厚煤层工作面过空巷的技术难题。

图1 工作面布置情况

2 空巷加强支护技术

根据1516工作面的具体生产地质条件，设计采用强力墩柱对空巷进行加强支护，进行井下施工前先运用FLAC3D数值模拟软件计算有无墩柱支护时过空巷围岩稳定性及其变形破坏规律，运用实验室实验测定强力墩柱的力学特性，以验证该技术的合理性。

2.1 模型的建立

根据工作面的实际地质条件，对模型的煤岩层进行了划分，模型的长宽高为100m×100m×42m，选取工作面推进方向为X轴，工作面方向为Y轴，竖直方向为Z轴。模型自上至下划分为4个地层，分别为基本顶厚度27m，(粉、细砂岩)直接顶厚度4m，煤层厚度11m，开采厚度3.2m，直接底厚度5m。模型前后左右均施加水平应力约束，边界初始位移和加速度均为零，在模型上部施加3.0MPa的均布载荷，围岩本构关系采用摩尔-库仑模型，煤岩层及墩柱的力学参数见表1。

表1 煤岩层力学参数

模型构建完成后，具体计算分析了综放工作面距空巷20m、10m、5m、2.5m时围岩应力及塑性区的变化规律。

2.2 空巷不同支护状态下围岩稳定性分析

空巷无支护时围岩应力随工作面推进距离的变化规律如图2所示，分析计算结果可知，当工作面推进至距空巷20m时，最大应力出现在工作面与空巷间的煤柱中，最大应力值为5.8MPa，且最大应力偏向工作面侧，工作面超前支承应力与空巷应力形成叠加的应力遍布整个煤柱；当工作面推进至距空巷10m时，最大应力值增大到7.3MPa，且最大应力位于煤柱中间；当工作面推进至距空巷5m时，工作面与空巷间煤柱的应力降低至5MPa，说明此时煤柱已经发生塑性破坏，当工作面推进至距空巷2.5m时，煤柱中部的应力维持在4MPa，而其顶底两端的应力进一步降至3.5MPa，说明此时煤柱的破坏进一步加剧。由图2(a)可知，空巷顶板的应力集中主要产生在靠近煤柱侧，应力大小为1.5MPa，随着工作面的推进，空巷顶板的应力集中范围及数值逐步增大，最终顶板的一半范围内都出现了应力集中且顶板表面应力值出现降低，说明此时空巷顶板已发生了部分破坏。

图2 空巷无支护时围岩应力随推进距离变化规律

空巷内采用墩柱支护时围岩应力随工作面推进距离的变化规律如图3所示，模型中的空巷内等间距布置了两排墩柱，分析计算结果可知，当工作面推进至距空巷20m时，最大应力仍出现在工作面与空巷间的煤柱中，最大应力值为5.8MPa，由于墩柱的支撑作用，工作面超前支承应力与空巷应力形成叠加的应力范围明显变小；当工作面推进至距空巷10m时，煤柱内承受的最大应力值增大到7.3MPa，最大应力位于煤柱中间；当工作面推进至距空巷5m时，工作面与空巷间煤柱的应力降低至3.5MPa，说明此时煤柱已经发生塑性破坏，当工作面推进至距空巷2.5m时，煤柱中的应力进一步降低至2MPa；相比空巷内无支护时，当煤柱发生塑性破坏后，煤柱内承受的压力明显降低，说明此时应力发生了转移，墩柱部分承受了较大的压应力，在工作面推进过程中，空巷顶板区域均未出现明显应力集中，应力集中主要产生在巷道两帮及墩柱内，两帮的应力集中范围及数值始终保持平稳，墩柱内的应力则逐渐减小，说明此时墩柱已发生了破坏。相比无墩柱支护，此时空巷围岩最大程度地保持了完整性，可确保工作面的顺利通过。

2.3 强力墩柱力学特性测试

为了解强力墩柱的力学性能，为空巷支护提供依据，在实验室内对规格为∅800mm的2根墩柱进行了大比例单轴压缩实验，墩柱高度均为3m，墩柱外部为套管，内部充填材料分别为强度C30的混凝土及水灰比为1∶1的高水材料，墩柱制作完成并养护28d后开始进行实验，实验测试内容包括极限载荷、轴向应变及变形、径向应变及变形。

墩柱加载实验完成后，破坏都发生在墩柱顶部，高水材料及混凝土均被压碎，外部套管开裂。大比例墩柱载荷与位移关系曲线如图4所示，由图4可知，∅800mm混凝土墩柱最大承载能力为8400kN，强度达峰值时对应的压缩量为53mm，墩柱应力变化首先呈先弹性快速增长，达到峰值后迅速下降，由于套管的约束作用，残余强度稳定在2300kN，墩柱最大压缩量可达156mm。∅800mm高水墩柱最大承载能力为5100kN，强度达峰值时对应的压缩量为44mm，由于位移加载到88mm时出现偏载而停止了实验，其残余强度稳定在3800kN。

图4 大比例墩柱载荷-位移关系曲线

结合数值模拟计算及大比例单轴压缩实验得出，空巷采用墩柱支护可有效降低工作面与空巷间煤柱所承受的应力，并最大程度保持空巷顶板的完整性，墩柱自身的强度及可压缩量能满足空巷支护的需要。

3 空巷强力墩柱应用效果

3.1 空巷强力墩柱支护方案

柴沟煤矿1516工作面4号空巷高3.2m、宽4.9m，顶板原始支护采用锚杆索联合支护，均为五花布置，排距1000mm，锚杆规格为∅18mm×2200mm，锚索规格为17.8mm×8000mm。在此基础上进行墩柱补强支护，采用水灰比为1∶1的高水材料制作墩柱，外加套管进行约束，墩柱尺寸为∅800mm×3200mm。在空巷中间位置沿工作面推进方向布置两排墩柱，墩柱间距为1100mm，排距为2000mm，整体布置设计如图5所示。

图5 空巷强力墩柱布置(mm)

3.2 强力墩柱支护效果监测

为评价工作面过空巷过程中墩柱的工作状况，在靠近工作面侧3根墩柱的顶端安装了压力传感器，编号为1#、2#、3#，分别用于监测空巷上、中、下部墩柱的受力变化情况。

1#—3#墩柱受力变化曲线如图6所示。当工作面距离空巷50～60m时，1#—3#墩柱受力较小，基本无变化，3根墩柱的初期受力分别为200kN、4500kN、2200kN。随工作面推进，墩柱受力开始缓慢增长，当工作面推进至距空巷约30m时，各墩柱受力开始急剧增长，当工作面推进至距空巷约15～12m时，各墩柱受力均已达到峰值，分别为5800kN、7000kN、6650kN，随着工作面继续推进直至贯通，墩柱顶部开始发生破坏，受力明显下降，但承载能力仍维持在3000kN以上，实现了对空巷顶板的有效支撑。工作面过空巷过程中，墩柱可被采煤机轻松截割，截割后残渣随煤块直接运出工作面，大幅度提高了工作面通过效率，实现了安全高效生产。

图6 1#—3#墩柱受力变化曲线

4 结 论

1)数值模拟计算结果表明，当空巷无支护时，随工作面的推进，空巷与工作面间煤柱的应力逐渐增大至7.3MPa并最终破坏，空巷顶板的一半范围内都发生了破坏。当空巷内采用墩柱进行支护时，煤柱内承受叠加应力的范围明显变小，应力发生转移，墩柱承受了较大的压应力，工作面推进过程中空巷顶板未出现明显的塑性破坏区，最大程度的保持了完整性。

2)大比例墩柱单轴压缩实验结果表明，墩柱破坏都发生在其顶部，∅800mm混凝土墩柱最大承载能力可达8400kN，最大压缩量可达156mm，由于套管的约束作用，墩柱破坏后都保持了较大的残余强度，墩柱的强度及可压缩量能满足空巷支护的需要。

3)现场工业应用表明，墩柱受力先增长后下降，最大受力可达7000kN，破坏后的残余强度可维持在3000kN以上，强力墩柱支护大幅度提高了工作面过空巷的效率，实现了安全高效生产。