综放工作面过密集空巷群高水充填技术研究及应用

邵春瑞，李俊清，赵宝友

(1.山西煤炭运销集团三元古韩荆宝煤业有限公司，山西 长治 046200；2.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

截止2021年末我国现有煤矿4500处，自2016年至2021年的六年期间全国累计淘汰、兼并重组落后产能煤矿5700处。由于被淘汰、兼并重组矿井落后的采煤方法和工艺，不仅造成了煤炭资源回采率低、资源浪费的问题，而且其无序开采遗留的大量空巷或空区还破坏了煤层、煤层顶底板的结构完整性及其赋存应力环境，给重组后的煤矿残煤复采带来一系列安全隐患和技术难题，严重制约着复采煤层的安全高效开采。有关工作面安全过空巷的方法大体可归纳为三种[1-14]：第一种方法是以空巷为切眼重新布置工作面，该方法主要适用于工作面搬家容易的早期炮采或普采工作面[1]；第二种方法是对空巷加强支护[2-5]，实现途径主要有：密集木支柱、木垛、单体支柱、架棚的被动支护方法，锚网索主动支护及主被动联合支护[2-4]；第三种方法是空巷充填[1，8-14]，可分为全空间充填法和非全空间的泵送墩柱或支柱法。由于全充填方法具有支护阻力均匀、总体投入低、自行加固空巷围岩、适应范围广等优点，使得该方法实际应用广泛。

相比于单一空巷或间距较大的空巷来说，小间距空巷开挖二次应力场在其之间煤柱内的叠加，致使空巷围岩及其煤柱破碎深度大，承载能力下降；若充填体强度设计不合理，工作面过充填空巷时有可能也会诱发溃帮、冒顶、煤柱失稳等事故，影响工作面的安全生产。鉴于诸多残煤复采煤层中往往存在小间距密集空巷群，而工作面过密集空巷群的研究成果甚少，因此，有必要开展工作面过密集空巷群的研究，为类似残煤复采工作面安全过空巷群提供理论支撑。

1 工程概况

晋能控股荆宝煤业为兼并重组资源整合矿井，由于多家小煤矿的无序开采，使得现开采的3号煤层内广泛分布着众多空巷，局部区域形成了密集空巷群。以30301工作面为例，该工作面开采的3号煤层均厚5.6m，煤层倾角0°～8°，容重1.4t，埋深150～200m，工作面斜长120m，可采长度为327m，采用倾斜长壁后退式综合机械化放顶煤采煤工艺，采高2.8m。该工作面回采巷道及切眼掘进期间的统计信息表明，30301工作面327m可采长度内累计分布33条空巷，如图1所示，其中，切眼4条，运输巷侧15条，回风巷侧14条，空巷均沿煤层底板掘进，宽3m，高3m，留有约2～3m的顶煤，除了运输巷侧3条空巷煤柱和切眼1条空巷煤柱宽度超过20m之外，其它相邻空巷间煤柱最小宽度5.2m，平均10m左右。由此可见，如此密集的空巷群势必将严重制约着荆宝煤业的安全高效回采。

图1 荆宝煤业30301残采综放工作面及空巷分布(m)

2 基于砌体梁理论确定充填材料强度

2.1 综放面过空巷顶板覆岩运移特征分析

综放工作面过空巷顶板关键层砌体梁模型如图2所示[1，15]。空巷的形成将使得空巷周围应力重新分布，在空巷左右两帮煤岩体内形成侧向支承压力。当工作面上方基本顶悬顶一定长度后将超前工作面在煤层上方断裂，发生正常周期来压现象，关键层破断的岩块相互铰接，形成砌体梁结构，此时基本顶岩块B的自重及作用其上的荷载之和的一部分通过直接顶Ⅱ作用在顶煤及支架上。随工作面不断向空巷推进，工作面超前支承压力与空巷侧向支承压力开始叠加，即工作面回采与空巷开始相互作用，煤柱两侧塑性区深度开始增大，且随工作面与空巷间煤柱宽度的减小，支承压力叠加效应和煤柱两侧塑性区深度增加趋势均随之增大。当工作面与空巷间煤柱宽度减小某临界宽度时，煤柱两侧塑性区完全贯通，煤柱承载能力迅速下降，顶板瞬时或短时间内发生明显下沉，这有可能使得关键层跨过煤柱在空巷上方破断，即工作面过空巷时其来压步距将大于正常来压步距[11]；由于此时煤柱处于临界失稳状态，承载能力和抗变形能力的明显下降，极有可能诱发工作面上方关键层砌体结构发生滑落或转动失稳，使得关键块体B及作用其上的荷载通过直接顶Ⅱ全部作用在煤柱及支架上，矿山压力显现剧烈，最终诱发煤柱溃塌、空巷冒顶、支架压死等事故。

图2 综放工作面过空巷顶板关键层砌体梁结构模型

2.2 综放面过空巷顶板力学模型

为确定工作面过空巷充填体合理的支护强度，对关键块体B、直接顶Ⅱ及其下方顶煤，均沿空巷左侧巷帮正上方整体切落这一最不利情况下进行分析，忽略整体切落时顶板左侧面的摩擦力，可将其简化为铰接梁力学模型，如图3所示。其中，P1为关键岩块B自重及作用其上的荷载，MN；P0为直接顶及其下方顶煤的自重，MN；T1、T2分别为顶板左右两侧的水平向推力，MN；Q1为切落顶板左侧面的摩擦力，MN；Q2为采空区矸石的支撑力，MN；b、c和s分别为空巷、煤柱和工作面的宽度，m；Fb、Fc和Fs分别为充填体、煤柱和支架的支护强度，MN；L1为工作面过空巷最大来压步距，为工作面正常来压步距L0与空巷宽度b及煤柱临界宽度c之和，m。由于综放工作面的顶煤和直接顶大都随采随冒，为此直接顶Ⅱ的长度为空巷、煤柱和工作面宽度之和。综放工作面过空巷顶板铰接梁力学模型如图3所示，对其求解可得到空巷充填体强度Fb和采空区矸石支撑力Q2的计算公式(1)和(2)：

(1)

Q2=P0+P1-Fb-Fc-Fs

(2)

图3 综放工作面过空巷顶板铰接梁力学模型

2.3 综放面过空巷充填体合理强度的理论计算

荆宝煤业3号煤无空巷综放工作面周期来压步距为8～14m，平均11m左右，空巷宽3m，顶煤厚约3m，直接顶厚度1.82m，基本顶厚度为8.82m，基本顶其上荷载对应的岩层厚度为24.91m，煤层和顶板岩层密度分别为1400kg/m3和2500kg/m3；标准煤样单轴抗压强度平均为7MPa，采用Hoek的研究成果考虑煤柱尺寸效应来获得其煤柱强度[16]；综放液压支架类型为ZF5200/17/32，工作阻力取额定工作阻力的90%，最大控顶距为5.08m，支架宽度1.5m。将上述荆宝煤业3号煤层及工作面相关参数代入式(1)可计算得到空巷充填体强度理论设计值；其中，式(2)用来检验式(1)计算结果的有效性，即当Q2≥0时Fb的计算结果有效。

充填体强度与煤柱宽度的关系曲线如图4所示，图中给出的理论计算结果表明，随综放工作面与空巷间煤柱弹性区宽度c的减小，空巷充填体所需的支撑强度σb近线性增加，σb=2.35-0.82c；当煤柱弹性区宽度小于3m，则需对空巷进行充填才可保证综放面支架的正常工作；当煤柱完全被采出时，空巷充填体强度至少为2.35MPa。另外，鉴于荆宝煤业存在诸多间距较小的空巷群，空巷间煤柱已处于较高应力状态，且煤柱两侧均已产生一定深度的塑性区，为此其合理的空巷群充填体强度宜高于上述公式的计算结果。

图4 充填体强度与煤柱宽度的关系曲线

3 综放面过密集空巷群的数值模拟分析

3.1 综放面过空巷群的数值模型

依据荆宝煤业3号煤层的地质赋存特征和30301综放工作面的开采技术条件，建立含三条间距6m，宽高均为3m的空巷群数值模型，工作面自左向右推进，根据距工作面由近至远分别定义为空巷A、空巷B和空巷C。模型自煤层底板下方50m建立至地表，各煤岩层均采用拉剪复合破坏强度准则的理想弹塑性模型，主要煤岩层的物理力学参数见表1。模型四周及底面均为面法向位移约束，模型承受自重应力场。为了定量对比，每个工况均保持基本顶悬顶16m。

表1 煤岩层基本物理力学参数

3.2 综放面过未充填空巷群的数值模拟结果分析

超前支承压力峰值与工作面距空巷距离的关系曲线如图5所示，图5表明，当工作面与空巷群间距大于20m时，支承压力峰值增加缓慢，增速为0.014MPa/m；当间距小于20m后，由于空巷开挖形成的侧向支承压力与工作面超前支承压力的叠加，使得煤层支承压力峰值增速变大，增速为0.3MPa/m。空巷顶板下沉量与工作面距空巷距离的关系曲线如图6所示，图6表明，当工作面与空巷群间距小于20m时，空巷群开始受工作面采动影响顶板发生下沉变形，工作面越接近空巷群，空巷顶板下沉量越大，大体呈非线性增加的关系。由此可知，为保证工作面安全过空巷群，宜超前工作面20m完成对空巷群的加固。

图5 超前支承压力峰值与工作面-空巷间距的关系曲线

图6 空巷顶板下沉量与工作面-空巷间距的关系曲线

3.3 综放面过充填空巷群的数值模拟结果分析

关于高水充填材料力学性能的研究成果表明[1，17-20]，用于现场的高水充填材料单轴抗压强度对应的峰值应变大都在3%～5%范围内，其单轴抗压强度与弹性模量近似成正比。因此，选取弹模分别为40MPa、80MPa、120MPa和160MPa四种强度的充填材料，模拟分析充填体强度对空巷群稳定性的影响，进而确定荆宝煤业30301工作面空巷群充填材料的合理强度。

不同充填体强度下空巷塑性区如图7所示，由图7可知，相比于未充填情况，对空巷群充填后，当工作面推至空巷A左侧帮时，无论哪种充填体强度，空巷A顶板的塑性区范围和深度显著减小，基本在原空巷锚杆控制范围内；当充填体弹模为40MPa时，空巷A右侧帮塑性区深度1m，较未充填情况减小0.5m，空巷B和C两帮和顶板塑性区和原空巷形成后相比几乎未变化；当填体弹模超过80MPa后，除空巷A在顶板顶角位置塑性区有所增加之外，三条近距离空巷两帮和顶板的均未产生新的塑性区，且空巷A顶板塑性区深度基本在原空巷锚杆控制范围内。从空巷群充填后的塑性区分布来看，当充填体弹模不小于80MPa时，工作面可顺利通过空巷群。

图7 不同充填体强度下空巷塑性区

图8 不同工作面-空巷间距下充填空巷竖向应力场(MPa)

不同工作面距空巷距离下充填空巷竖向应力场如图8所示，由图8可知，对空巷群充填后，空巷群支承压力峰值仍位于各空巷两帮塑性区与弹性区的交界面附近，但均小于未充填时的支承压力峰值，这说明对空巷充填可改善其围岩应力分布，降低其支承压力峰值；同时还可看出随充填体强度的增大，同一空巷充填体承受的竖向压力随之增大，且自左向右空巷充填体承受的竖向压力依次降低；当工作面推至空巷A左侧帮时，无论哪种充填体强度，采场围岩和空巷充填体的应力场分布规律均相同，超前支承压力峰值位于空巷A右帮塑性区与弹性区的交界面位置，随充填体强度的增大，支承压力峰值和作用面积均随之小幅减小。充填体竖向支撑力与其弹模的关系曲线如图9所示，由图9可知，当工作推至空巷A左侧帮时，随充填体强度的增大，各空巷竖向支撑力均随之近线性增大，这说明充填体强度越大，对其顶板的支撑效应越强；由空巷A的支撑力随充填强度变化曲线来看，充填体合理的强度为弹模80MPa，即充填体单轴抗压强度为2.5MPa。

图9 充填体竖向支撑力与其弹模的关系曲线

三条空巷顶板下沉降量与充填强度的关系曲线如图10所示，由图10所示，随充填体强度的增大，各空巷顶板下沉量均随之近线性降低。不同充填体强度下空巷顶板下沉量见表2，空巷顶板下沉量统计数据进一步表明，相比未充填工况，当充填体弹模由40MPa增至160MPa时，空巷A、B、C顶板最大下沉量分别降低22.2%～31.6%、19.3%～30.2%、15.2%～23.6%；四种充填强度下顶板下沉量均得到明显的抑制，尤其是越靠近工作面的空巷，充填体对其顶板下沉变形的抑制越明显。若忽略空巷底鼓，以空巷A顶板下沉量可近似计算得到充填体轴向的压缩应变为3.22%～3.66%，均在高水材料峰值应变范围内。

图10 空巷顶板下沉量与充填体弹模的关系曲线

因此，综上理论分析和工作面过有无充填空巷群的数值模拟分析，可确定荆宝煤业3号煤层密集空巷群充填体的合理强度为不小于2.5MPa。

4 现场工业性试验

4.1 空巷群高水充填材料及工艺

鉴于铝基高固水材料属于早强、快硬型胶结材料，初凝与终凝时间很近，塑性变形大，单轴压缩应变达10%时还具有60%的峰值承载能力，且水灰比大，性价比高，为此荆宝煤业选择铝基高固水材料作为3号煤层空巷的充填材料。根据掘巷及回采期间对充填体强度时效性要求的不同，设计两种水灰比高水材料，其中掘巷期间充填材料的水灰比为5∶1～8∶1，回采期间充填材料的水灰比为4∶1～5∶1，但均要求工作面过空巷时充填体的强度不小于上述理论分析和数值模拟确定的2.5MPa。铝基高水料的主体物料由A、B两种材料组成，两种材料比例为1∶1。

回采巷道掘进期间采用长短钻探相结合的方法，对巷道两侧及前方进行探测，一旦在探测范围内存在空巷，则需在揭露空巷前3～5m，对空巷进行充填注浆。工作面回采过已充填的空巷前，需要在工作面布置一组的钻探验证孔，查看空巷注浆充填段是否充填实，若未充填实，则应停止回采，需要重新充满，且充填体强度符合要求后，方可回采经过空巷注浆充填段。

表2 不同充填体强度下空巷顶板下沉量统计

空巷充填作业工序先后包括运料、制浆和注浆。运料采用矿车将当天所需A、B料从地面运输到施工现场。制浆需要4个搅拌桶，A、B料分别在1#、3#搅拌桶和2#、4#搅拌桶中搅拌，当1#、3#搅拌桶给充填泵供料浆时，2#、4#搅拌桶应加水上料并搅拌，两对搅拌桶交替工作，直到完成充填工作。注浆工序依次包括标孔、钻孔、验孔、安装注浆管、封孔和注浆。双液注浆泵型号为ZBYSB180/15-22型煤矿用液压注浆泵，注浆速度为10.8m3/h，出口压力15MPa，单浆管和混浆管均为外径32mm的高压胶管。

4.2 综放面过空巷群的辅助措施

为确保工作面安全高效过空巷群，首先，荆宝煤业在形成工作面回采系统前采用瞬变电磁法和无线电波透视法探查工作面尺度范围内潜在的空巷区。其次，在掘巷过程中进一步探明空巷赋存状态后进行注浆充填，并在工作面回采过程中边探边采，对新发现或充填不实的空巷进行补充填实，而且还采取如下辅助措施过密集空巷群：①过空巷注浆充填段期间采用追机拉架，滞后采煤机前滚筒两架，对于顶板破碎、漏矸段拉架时采用带压移架，边降边拉边打护帮板，防止顶板漏矸；②采煤机司机应割平顶、底板，保证支架接顶、受力良好；③接近空巷充填段时若处于周期来压阶段，则停采等压，尽可能避开周期来压；④在顶板离层的情况下，应采用“擦顶移架法”，即首先将支架立柱快速下降，当支架顶梁与顶板稍有距离时，停止降架，立即拉架使支架的顶梁与顶板相擦而快速前移，将支架前移一个步距，停止拉架，然后升起支架，并达到初撑力；⑤过空巷注浆充填段期间，工作面支架初撑力不低于4360kN，支架立柱行程不低于200mm；⑥接近空巷注浆充填段若发现煤壁片帮严重时，停止回采，利用化学加固材料“美固德”对煤壁进行加固；⑦过与工作面平行的空巷注浆充填段时，对工作面调斜减小空顶面积，确保工作面与旧巷注浆充填段之间的夹角至少为15°以上，使工作面斜切穿过旧巷注浆充填段、分段揭露。

4.3 效果分析

荆宝煤业通过前期物探及掘巷钻探，在30301工作面累计发现并注浆充填33条空巷。30301工作面回采期间通过边探边采检查出6条空巷充填不实，超前工作面钻探检查出5条空巷充填不实，并及时进行了复注充填，对煤壁注浆加固11次，停采等压18次。30301工作面回采期间的矿压监测结果表明，整个工作面回采过程中累计周期来压26次，来压步距7～16m，平均周期来压步距14m，60%的周期来压发生在过空巷群前后期间；整个工作面有三条较明显的压力中心，分别位于工作面上、中、下部的中心位置，中心位置的支架压力最大，其它支架压力以此处支架为中心向两侧递减。由于高水充填材料强度确定的合理，并采取多项辅助措施，仅在过充填空巷群周期来压较强烈时，液压支架安全阀开启率达到12%～20%，工作面煤壁出现零碎片帮和两顺槽巷道动压段单体钻底深度增大的现象；整个工作面回采期间未发生冒顶、支架倾倒、支架压死、大面积片帮等影响工作面正常回采的严重事件，验证了上述基于理论计算和数值模拟方法确定充填体材料强度强度的准确性，避免了充填体材料过低带来的潜在安全生产隐患，也解决了充填体强度过高造成的经济投入浪费，有力保障了荆宝煤业的安全高效开采。

5 结 论

1)建立的综放工作面过空巷顶板铰接梁理论模型分析结果表明，随综放工作面与空巷间煤柱弹性区宽度c的减小，空巷充填体所需的支撑强度σb近线性增加，函数关系为σb=2.35-0.82c；荆宝煤业3号煤层空巷充填体理论强度至少为2.35MPa。

2)综放工作面超前支承压力与空巷群侧向支承压力相互叠加，会造成工作面与空巷群之间的煤柱及空巷群自身的煤柱进入塑性屈服状态，易诱发密集空巷群及其顶板的大范围采场围岩失稳，宜超前工作面一定距离完成空巷群的加固；荆宝煤业3号煤层空巷群完成充填加固的时机为超前工作面20m。

3)随充填体强度的提高，全空间充填体抑制空巷顶板下沉变形的能力近线性增大；综合理论计算和数值模拟结果，确定了荆宝煤业3号煤层全空间充填空巷群的充填体强度为不小于2.5MPa。

4)现场实践验证了全空间高水充填材料强度的合理性，工作面回采期间未发生影响其正常回采的严重事件，保证了工作面安全高效通过空巷群，避免了充填体材料过低带来的潜在安全隐患，也解决了充填体强度过高造成的经济投入浪费，为类似条件下工作面过密集空巷群高水充填技术的推广应用奠定了理论基础和实践经验。