充填支柱在大采高工作面过空巷支护中的应用

孙侯明

（晋能控股装备制造集团 长治仙泉煤业有限公司，山西 长治 046000）

0 引 言

早期我国很多地区浅部小窑开采时会选择巷道式采煤，导致煤层中遗留很多空巷。在采煤工作面回采到空巷位置时，在采动影响下有可能造成冒顶、切顶、煤壁片帮等事故，甚至压倒、压死支架，对工作面安全高效回采产生较大影响[1-3]。目前针对空巷的治理措施主要为加强支护、注浆填充等手段，但这些手段都有一定局限性，存在适用条件苛刻、成本控制困难等问题[4]。长治仙泉煤业15105 工作面内存在大量早期老窑采煤形成的空巷，在回采过程中利用打木垛和超前注浆等方案进行治理效果不佳。为确保过空巷期间的安全生产，采用充填支柱法进行支护，该方法具有承受荷载大、受力稳定、易操作、回采简便等特点，适合于15105 工作面空巷区域来压强度大、来压迅速的应用场景。在采用充填支柱法进行加强支护后，工作面顺利通过空巷区域，确保工作面安全高效回采。

1 概 况

仙泉煤业15105 工作面位于该矿一采区中部，北部为一采区西翼回风巷，西部为15018 工作面（未回采）、15101 工作面采空区和15106 工作面，东部、南部为实体煤。该工作面采用走向长壁采煤法，综采采煤工艺，全部垮落法管理顶板，走向长度522 m，倾斜长度175 m，主采15 号煤层，煤层厚度4.1～5.6 m，平均厚度4.88 m，煤层倾角3°～11°，平均6°，普遍含1 层夹矸，煤层结构较简单。15101 工作面煤层底板标高＋781—＋852 m，对应地面标高＋1 062—＋1 129 m，埋深平均276 m。煤层直接顶板为K2 灰岩，平均厚度7.08 m，质地坚硬，不易垮落，煤层与直接底板之间局部发育黄泥层，厚度变化较大，黄泥层发育位置顶板相对破碎，呈块状填充；煤层直接底板为黑灰色泥岩和砂质泥岩，结构松软，易吸水软化。

15105 工作面回采区域受到原小河煤矿生产破坏，存在1 块大面积采空区，以及多条空巷。这些采空区和空巷为早期沿顶板掘进和回采，与15105工作面上下顺槽呈斜交关系，空巷多数位置准确，但空间关系错综复杂，局部展布密集，巷道宽度不一，存在一定积水，对煤层顶板存在较为严重的破坏。15105 工作面上下顺槽外侧分别发育1 条正断层——F4 断层（落差15 m） 和F3 断层（落差3 ～10 m），2 条断层形成一个地垒构造，断层周边次生小断裂构造较发育，对工作面煤层赋存和顶底板存在一定影响。15105 工作面上下顺槽及切眼在掘进过程中揭露了数条空巷和采空区，普遍出现支护困难的情况，叠加断裂构造破坏，预计在回采过程中由于采动破坏和超前支撑应力转移，会对空巷产生较大的影响，所以需要对空巷进行有效处理，消除安全隐患，同时，由于该工作面回采过空巷较多，对空巷的处理要综合考虑成本以及综采回采难度的问题，兼顾回采效率和经济性。

2 工作面过空巷方案

2.1 采取措施

由图1 可知，15101 工作面范围内的空巷多数呈正交形态，因此工作面设计之初就对巷道布局进行优化，综合考虑F4 断层和F3 断层发育情况，设计工作面回采方向与空巷斜交，从而控制超前支撑应力不会一次作用在大面积薄弱带上，降低对空巷的采动影响。按照前期其他工作面回采过空巷期间经验，采用打木垛和煤壁超前预注浆等措施效果欠佳，因此此次采用充填支柱法对空巷进行治理。

图1 15105 工作面空巷分布与位置关系Fig.1 Relationship between No.15105 Face and abandoned roadway

2.2 充填支柱技术

工作面回采过程中原岩应力平衡被打破，超前支撑应力重新分布，特别对于大采高工作面而言，应力集中情况较为明显。在工作面回采接近空巷的过程中，由于空巷位置本身顶板受到破坏，为薄弱面，矿压显现明显，易发生漏顶甚至切顶事故。因此对工作面回采过程中空巷区域超前应力分布进行研究，能够为充填支柱参数、工程施工节点等提供依据。

此次采用FLAC3D 数值模拟软件对工作面临近空巷期间超前支撑应力情况进行计算，摸清应力变化规律。设计在工作面距离空巷100 m 时至回采至空巷位置阶段进行数值模拟，得到推采位置与顶板应力关系数据，如图2 所示。

图2 推采位置与顶板应力关系Fig.2 The relationship between mining position and roof stress

由图2 可知，工作面推采接近空巷期间，空巷位置所受超前支撑应力呈逐渐增大趋势，特别是在回采距离空巷20 m 位置后，支撑应力大幅提升，从12.3 MPa 提高至13.7 MPa，在距空巷位置5 m时支撑应力增幅趋缓。由此可知，如果不对空巷进行有效支护，其顶板可能在高应力作用下发生断裂造成顶板事故。考虑工作面应力情况和空巷实际，采用充填支柱法对顶板进行有效控制，确保过空巷期间安全回采。

2.3 充填支柱设计参数

（1） 充填支柱规格。根据仙泉煤业地质资料和原小河煤矿生产资料可知，15105 工作面内空巷高约4.0 m。按照以往工程经验，本次充填支柱设计直径为1 m，设计高度为4.0 m，且高度可以根据实际巷高和顶板情况进行调整。

（2） 充填支柱结构。

由图2 可知，在工作面回采至空巷20 m 处，顶板压力会突然增大，有可能出现瞬间动压，在压力过大的情况下会对充填支柱造成严重破坏，使其失去支撑作用。为解决这个问题，在充填支柱顶端设计让压层，其下为承压层，其中让压层抗压强度低于承压层，在出现瞬间动压的时候，让压层出现破坏，大量吸收顶板动压能量，为顶板提供一定活动空间，从而保护下部承压层结构不受破坏。充填支柱让压层设计高度300 mm，结构如图3 所示。

图3 充填支柱受力结构示意Fig.3 Force structure diagram of filling pillar

3 充填支柱注浆材料

此次充填支柱采用无机材料，主要成分为硅酸盐水泥- 确保支柱后期抗压强度、硫铝酸盐水泥-确保支柱前期抗压强度、石膏- 提高水泥反应速度，以及配套速凝剂、增稠剂等。对不同水灰比的浆液进行凝固后抗压强度实验，实验结果见表1。

表1 不同水灰比充填材料抗压强度Table 1 Compressive strength of filling materials with different water cement ratio

由表1 可知，浆液水灰比控制在0.8～2.0∶1时，不同水灰比材料的抗压强度不同，因此可以调整水灰比，利用材料抗压强度的不同，分别对让压层和承压层进行填充。水灰比自0.8∶1～2.5∶1，抗压强度不断下降。按照数值模拟结果同时参照以往支护情况，充填支柱的抗压强度要求高于17 MPa，对照表格，水灰比1∶1 时30 d 抗压强度18.47 MPa，能够满足要求。根据数值模拟结果，采动最大支撑应力为13.7 MPa，为保证让压效果，此次选择让压层浆液水灰比为1.5∶1，30 d 后抗压强度为12.69MPa，既能起到让压作用，同时也能够保证充足的抗压能力。

4 充填支柱应用和施工效果验证

4.1 充填支柱施工方案

根据15105 工作面对应原小河煤矿生产资料，该工作面内存在空巷6 条，需要对其进行让压支护设计。对空巷地质条件进行分析，同时参考以往充填支柱应用经验，根据充填支柱高度、直径及其抗压强度，设计空巷内充填支柱布置参数为：空巷内共布置2 排充填支柱，排距1 700 mm、间距2 000 m，距离回采一侧帮距500 mm，距离实体煤侧帮距800 mm，布置方案如图4 所示。

图4 15105 空巷充填支柱布置方案Fig.4 Filling pillar layout scheme for abandoned roadway

4.2 注浆充填工艺

此次采用的注浆材料为无机单液材料，注浆时直接泵送即可。按照设计将充填袋悬挂在巷道顶板锚杆或钢筋网上，在顶底板对充填袋进行固定，确保其与顶底板垂直。然后调配注浆浆液对充填袋进行注浆，注浆管路上连接三通阀门，每次可对2 个充填袋进行注浆，达到设计压力后关闭阀门，对下一组充填袋进行注浆。

4.3 施工效果验证

为对充填支柱支护效果进行验证，在工作面回采接近充填支柱时，采集液压支架工作阻力，并绘制工作阻力变化曲线图，如图5 所示。

图5 过空巷期间支架工作阻力变化Fig.5 The change of working resistance during crossing abandoned roadway

由图5 可知，在13 日～16 日过空巷期间，152、160、168 号支架由于距离空巷位置不同，其工作阻力变化存在一定差异。工作面回采通过空巷期间，支架工作阻力呈现下降趋势，未出现突然变大情况，说明该区域顶板应力已经提前释放，在回采过程中没有发生顶板大规模断裂、垮冒。回采通过空巷后，支架工作阻力回升，但不足7 000 kN，处于正常水平。通过对现场观测，与以往采用其他方法支护相比，工作面没有出现片帮、冒顶和支架压死现象，说明充填支柱设计合理，能够对煤层顶板进行有效支撑。

5 结 论

（1） 利用FLAC3D 数值模拟软件对工作面临近空巷期间超前支撑应力情况进行计算，摸清回采通过空巷的应力变化规律，能够为充填支柱参数设计提供依据。

（2） 采用相同的注浆材料，通过调整浆液配比的方法获得不同抗压强度的充填支柱结构，能够在保证支撑应力的情况下确保充填支柱不会被瞬间动压破坏，提高了充填支柱的有效性。

（3） 在对空巷采取充填支柱措施后，工作面回采通过空巷时，支架阻力未出现突然上升的情况，现场也未发生大规模片帮、冒顶和支架压死现象，说明充填支柱法能够对空巷进行有效支护。