大采高工作面支柱支护过空巷技术

李云岗

（晋能控股煤业集团寺河矿，山西 晋城 048000）

1 概况

成庄矿5314大采高工作面切眼长356 m，由于工作面部分区域地表为村庄，原设计正常回采约438 m后将进行甩刀把作业，工作面切眼长缩为167.5 m，回采约661 m后切眼长度重新倒为356.4 m，如图1。但后来计划调整，对地面村庄进行了搬迁，不再进行甩刀把作业，工作面需全部回采。原设计工作面内部存在多条巷道和联络巷形成空巷，空巷长度长、断面大，若不采取措施，极易在工作面通过时造成顶板失稳、支架压架等安全事故[1]。

2 工作面空巷分布、类型及特征

原设计工作面中的巷道在工作面推进过程中即成为空巷，严重影响工作面的正常推进。该工作面空巷的类型及特征主要表现为以下几个方面：

（1）巷道长度长，断面尺寸大。空巷长度24～661 m，空巷断面高度3.8～4.6 m，空巷断面宽度5.0～8.5 m。

（2）存在平行于工作面倾向的空巷，巷道承受压力大。从工作面巷道布置平面图1中可以看出，53146巷部分段、对接切眼以及联络巷均为平行于工作面倾向布置，其中对接切眼断面尺寸最大（8.5 m×3.8 m，局部高4.6 m）。工作面推近至此类空巷前方时，巷道将整体承受工作面超前支承压力的影响作用，对巷道整体稳定性造成极大的威胁。

图1 工作面及内部空巷布置

（3）工作面采高6.0 m，倾向长度356 m，工作面长度增加后，采场矿压显现特征必然更加明显，无论是对采煤工艺、工作面支架选型，还是巷道支护水平等都提出了较大挑战，对空巷造成的压力影响也必然增大。

（4）空巷跨度较大，在空巷前方避不开工作面周期来压显现，再加上大断面空巷周围较高的应力集中，叠加应力作用致使煤壁破碎、顶板漏顶，从而延缓工作面进入空巷速度，造成空巷内压力更大[2]。

3 支柱支护过空巷技术

3.1 支柱支护技术特点

充填支柱支护是一种巷旁支护技术，其特点是初撑力大，具有一定的让压变形能力和较高的残余支撑强度。其支撑力可以根据需要设计成一般支撑力（单个柱子）为100～200 t、中高级支撑力为200～400 t、高级支撑力为400～1000 t以上。充填支柱可以设计为单层充填体或双层充填体（上部300～500 mm设计为膨胀让压层，让压变形量约100～200 mm），符合现代矿井“让-抗”支护理论，可以适应矿压较大的巷道变形控制和软岩巷道变形的控制，控制巷道底鼓，保证巷道的支护能力，对煤矿井下过空巷、废巷、小窑区等具有非常好的针对性[3-4]。

3.2 支柱支护技术效果模拟分析

通过数值模拟软件FLAC3D对支柱支护技术过空巷效果进行分析，模拟计算结果从图2中可以看出，当工作面与空巷贯通时，在没有布置充填支柱的情况下，两侧围岩中的应力集中系数较大，约为2.6，围岩破坏程度较为严重，其中工作面顶板岩层中的塑性破坏范围延伸至4 m，工作面底板岩层中的塑性破坏范围延伸至3 m。当空巷内布置了充填支柱后，采空区域的两侧围岩体中应力集中系数有所减小，降低为2.4。支柱对巷道顶底板起到了较好的支护作用，围岩破坏程度有所降低，顶板岩层中的塑性破坏范围最大为3 m，呈拱形分布，且在支柱上方塑性破坏明显降低，底板岩层中的塑性破坏范围也明显减小。从图中还可以看出，支柱内部出现了较大范围的塑性破坏，但是破坏状态多为正在发生的剪切破坏和拉伸破坏，说明支柱在工作面贯通过程中能够保持一定的完整性和承载性能，但需采取快速通过、工作面调斜、煤岩体补强等合理措施。

图2 开挖空巷及工作面后煤岩体塑性区云图

3.3 支柱支护方案设计

通过上述分析可知，支柱支护技术对5314工作面过空巷有非常好的适应性，其具体方案设计如下：按照巷道走向方向每排布置两个支柱，每排之间距离（边对边距离）为1.5 m。支柱与回采侧煤帮距离约为1.0 m，巷道中段共布置178根支柱，支柱直径1.0 m，高度4.1 m。支柱布置示意图如图3。

图3 支柱布置示意图（m）

空巷支柱充填系统：充填系统如图4，由2台定容水箱、2台高速搅拌机、2个盛浆桶、1台注浆充填泵及相关管路连接组成。

图4 支柱充填系统示意图

4 应用效果

采用支柱支护过空巷方案后，避免了搬家倒面、调整工作面采高等一系列复杂工序，降低了工人劳动强度，提高了工作效率。空巷围岩变形主要表现为底鼓，距离工作面5 m内底鼓速度加快，最大底鼓量达到831 mm，最大顶板下沉量469 mm，两帮收缩量最大313 mm，整体状况良好，未对生产造成影响，工作面顺利通过空巷，应用效果较好，为类似工程问题的解决提供了新的手段。