综采工作面过空巷高水速凝材料充填技术应用

苏 伟

（霍州煤电集团晋北煤业有限公司，山西 忻州 035100）

1 工程概况

霍州煤电集团晋北煤业公司现开采5上#煤，该煤层稳定，煤层厚度平均为2.82 m，结构为：1.63（0.47）0.72。煤层整体呈一复式背斜构造，S1背斜轴向为146°，S2 向斜轴向为167°，S3 背斜轴向为174°，S4 向斜轴向为97°，煤岩层倾角为1°～5°，平均3°。5-103工作面地质构造情况复杂，进风巷、回风巷、内错尾巷及开切眼巷道掘进期间共揭露32 条断层、1 个陷落柱及4 个褶曲构造，地质构造对工作面回采影响较大。

5-103 工作面走向长度220 m，倾向长壁一次性采全高的采煤方法。5-103 工作面范围内有三条空巷，空巷受到工作面回采动压影响，围岩易发生严重的变形破坏，将影响综采工作面的推进效率和安全性，需对空巷采取适当加固措施。5-103 工作面空巷分布如图1。

图1 5-103 工作面空巷分布平面图

以尾巷下料巷为例，掘巷毛断面宽、高为3.8 m、2.8 m，其原有支护方式为锚网索联合支护，空巷总长度为219 m。原支护详情：顶锚杆直径20 mm、长度2400 mm，间排距800 mm；帮锚杆直径18 mm、长度2000 mm，间排距800 mm；锚索直径17.8 mm、长度6300 mm，排距2400 mm，每排两根，间距1600 mm。紧贴顶帮铺设一层菱形网，网与网间用联网丝（16#铅丝制作）联接，每隔120 mm 联一道，搭接长度为100 mm。

2 采动影响空巷围岩破坏特征

为论证5-103 工作面过空巷期间采取相关加固措施的必要性，以综采工作面过尾巷下料巷为例，运用UDEC 计算机模拟分析软件建立模型，进行工作面过空巷过程的仿真模拟。模型长、高=300 m、60 m，空巷尺寸宽、高=3.8 m、2.8 m，模拟计算中的煤岩体块采用Mohr-Coulomb 模型[1]，模型顶部埋深取100 m，等效载荷2.5 MPa，工作面采高3.0 m，每次开挖长度1.0 m，空巷位于距模型右侧边界60 m 处，工作面由距模型左侧边界80 m 首次开挖。结合数值模拟结果整理得到围岩典型的破坏特征如图2。

图2 三维数值模型

工作面与空巷距离小于15 m 后，顶板岩层破坏范围及超前工作面距离明显增大，直接顶岩层破碎更为严重，煤壁塑性破坏深度较大，片帮风险增大；当工作面与空巷距离为10 m 时，工作面与空巷间实体煤壁全部出现塑性破坏，煤壁对于覆岩的支撑能力下降，工作面顶板下沉量、煤壁内移量均显著增大；随着综采工作面与空巷间距离的减小，空巷围岩塑性破坏深度和面积逐渐增大，表面变形量也同步增大，空巷围岩极有可能发生大面积垮塌，致使工作面无法继续向前推进。在数值模拟计算模型中的回采工作面布置测线，监测此处液压支架的受力，整理得到表1 所示的模拟结果。5-103 工作面液压支架型号为ZY12000/30/68D 型，额定工作阻力37.3 MPa。随着工作面与空巷间距离由20 m逐渐减小至10 m，液压支架载荷逐渐增大，推进至距空巷10 m 左右时，液压支架载荷基本开始接近甚至超出支架的额定工作阻力。由此说明，工作面过空巷期间，随着与空巷距离的减小，工作面发生压架、端面冒顶的概率显著增大，影响工作面的安全高效生产，空巷围岩也将失稳冒落，导致工作面无法通过空巷区域，因此必须采取可靠的加固措施，既能防止空巷围岩失稳又能保证工作面载荷不会过大。

表1 工作面推进至空巷附近时液压支架受力模拟结果

3 综采工作面过空巷高水材料充填技术

晋神能源沙坪煤矿18201 工作面通过采用木垛支护方式顺利通过高×宽为2.5 m×6 m 矩形空巷；西山煤矿总公司马兰矿10316 工作面采用施工锚索、锚杆配合点柱施工的方式，工作面顺利通过空巷；靖远煤业集团红会四矿4701 综放工作面采用架设木垛再充填矿渣的方式顺利通过空巷区域。总结分析其应用实践经验表明[2-4]，采用木垛、锚网索等补强支护方案对空巷围岩控制效果良好，但是无法有效抑制工作面顶板的破碎及液压支架载荷的增大，工作面仍存在较大的压架、冒顶风险；通过木垛+充填矿渣的手段对工作面维护效果良好，但是施工工序繁琐、工期长。据此提出采用高水材料进行空巷充填支护的技术工艺。考虑到5-103 综采工作面过空巷的施工条件，设计充填体的长度为8 m，充填段起止两侧需打设止浆墙，墙厚度约为0.5 m，充填体宽度和高度与空巷断面相同，充填高水材料水灰比为2.25:1。充填段及充填管路布置详情如图3。

图3 高水材料充填技术示意图

4 应用效果综合评价

4.1 液压支架载荷变化

5-103 工作面回采期间采用YHY-604 液压支架测力仪监测支架受力情况，以工作面中部的61#～63#支架载荷数据平均值为例，绘制得到工作面过空巷期间支架载荷的变化曲线如图4。与空巷距离大于20 m 时，支架载荷稳定在29.4～29.6 MPa；与空巷距离为20 m～-20 m 期间，液压支架载荷变化曲线呈单峰变化规律，最大峰值为30.5 MPa，增大幅度仅为4.1%，最大载荷远小于液压支架的额定载荷；工作面推过空巷区域后，支架载荷继续稳定在29.4～29.5 MPa。由此说明，工作面过空巷期间，支架载荷未出现过度的增大，高水材料充填加固效果良好，能够保障工作面快速地通过空巷区域。

图4 过空巷期间液压支架载荷

4.2 空巷维护情况

工作面接近空巷时，煤壁较为破碎，局部出现轻微的剥落，但未出现大面积片帮现象，高水材料充填体对空巷围岩控制效果良好，空巷断面缩减不明显。工作面揭露空巷时，充填体完整性良好，未出现片帮现象，采煤机切割充填体顺利，顶板未出现冒落现象，充填体表现出的塑性变形、让压性能，有效保障了工作面安全快速通过空巷区域。

5 结论

晋北煤业5上#煤层一采区采用单翼布置方式后，工作面需通过平行空巷。通过UDEC 软件模拟研究表明，不采取任何加固措施条件下，过空巷期间综采工作面压架、端头冒顶危险性显著增大，煤壁破碎严重易片帮，空巷失稳变形严重，导致工作面无法通过空巷区域。总结类似地质条件下过空巷的实践案例，设计采用高水速凝材料充填技术进行空巷的加固，设计具体的施工工艺及方案。工程实践过空巷阶段，液压支架载荷增幅仅为4.1%，工作面未出现压架、冒顶、片帮等事故，空巷维护效果良好，实现了工作面安全高效通过空巷区域，可在类似条件下推广使用。