超長工作面過大斷面空巷充填支柱支護技術

宋 鵬

(山西省華泰礦業有限公司， 山西 晉中 031300)

煤礦厚煤層綜采工作面普遍存在空巷[1]，工作面過空巷時，由于采動和超前支承壓力的影響，易引起空巷及工作面頂板急劇下沉，造成大面積片幫、冒頂、壓垮支架等事故，嚴重影響安全生產[2-3].

國內學者針對過空巷問題進行了大量研究和工程實踐。柏建彪和侯朝炯[4]等利用“關鍵塊”假說建立空巷頂板力學模型，提出高水材料充填空巷技術和相關參數；楊榮明等[5]通過分析工作面過空巷的被動形式支護,提出主動支護優于被動支護的理論。

上述研究成果均基于傳統的過空巷方式，對一般工作面通過小斷面、垂直或者斜交的空巷支護效果顯著，對于超長工作面內大斷面的平行空巷，木垛支護阻力小，不能有效控制空巷變形，且木材消耗量大；錨索錨桿支護只針對小斷面空巷支護效果明顯；采用充填材料對空巷進行全部充填能有效改變空巷圍巖體受力狀態，提高巷道穩定性，但充填材料消耗大，成本過高。因此，針對超長工作面過大斷面空巷，提出了充填支柱支護技術，從充填支柱材料、充填系統及施工工藝等方面對高水材料充填支柱支護體系進行完善，并通過力學試驗測試充填支柱的承載性能。在超長綜采工作面過大斷面空巷中以充填支柱支護為主、空巷兩幫煤壁超前預注漿加固為輔綜合治理空巷，使工作面順利通過大斷面空巷。

1 工程概況

成莊礦5314工作面開采山西組3#煤層，采高約6.0 m，工作面走向長度1 455 m，傾向長度356 m，是成莊礦第一個大采高超長綜采工作面。

由于工作面回采計劃調整，不再進行“甩刀把”作業，因此原對接切眼即成為空巷，對接切眼斷面寬8 m×高4 m，空巷平行于工作面布置長189.3 m，為工作面傾向長度的53.1%，工作面礦壓顯現劇烈，嚴重影響工作面的正常推進。5314工作面巷道布置見圖1.

圖1 5314大采高工作面巷道布置圖

2 超長工作面過大斷面空巷支護分析

5314超長工作面內大斷面的平行空巷，避不開工作面周期來壓顯現，再加上大斷面空巷周圍較高的應力集中，疊加應力作用致使煤壁破碎，頂板漏頂嚴重；并且在超前支承壓力的作用下，基本頂極易在空巷上方發生超前斷裂；大采高超長工作面周期來壓步距短，工作面長，每日工作面的不同部位均會發生礦壓顯現，空巷來壓顯現及頂板下沉具有時差性及區域性。

根據S-R失穩理論，空巷的支護強度應能平衡基本頂的滑落失穩力，否則易引發大面積片幫及冒頂。鑒于對接切眼空巷有以上特性，超長工作面大斷面空巷支護必須要有足夠的支護強度以及合理的讓壓性能，并且要保證空巷兩幫煤壁的穩定性。

3 充填支柱支護技術

充填支柱是一種新型的支護技術，起源于美國，廣泛應用于房柱式開采中替代煤柱支護頂板結構。設計為兩層：上部讓壓層，下部承載層。讓壓層主要為發泡材料，為頂板合理下沉讓壓提供一定的空間，下部主要為承載層，一般為混凝土材料，提供了支護強度，控制頂板下沉。充填支柱整體強度可以通過調整材料配比實現，合理的讓壓性和支護強度有效滿足大斷面空巷的支護需求，且成本較低，易于采煤機切割可代替木垛或單體支柱，適用于井下臨時或永久支護等。

充填式支柱又稱可注式支柱，根據支柱承載層材料的不同可分為混凝土充填支柱和高水材料充填支柱，主要結構由承載體和支柱充填模袋組成。

3.1 充填支柱材料特性

充填支柱承載層主要為高水材料，選用雙液無機粉體組份構成，硫鋁酸鹽水泥熟料為主料，石膏和石灰為輔，添加一定外加劑，按照比例混合粉磨而成。雙液充填支柱材料性能主要表現為快凝、早強、高滲透性、結石率高等，凝結時間和膠結強度可調。具體有以下特點：

1) 兩種漿液在混合前，6 h內漿液不凝固、不泌水、不沉淀。

2) 兩種漿液混合后，0～5 min失去流動性，5～15 min完全固化。

3) 漿液在(0.5～2)∶1水灰比下漿體結石率可達100%.

4) 結石體2 h的強度能達到8～13 MPa.

不同水灰比條件下充填支柱材料固結強度見表1.

表1 充填支柱材料性能參數表

3.2 充填支柱充填系統

充填系統主要由2臺氣動定量水箱，2臺高速攪拌機，2臺低速攪拌機，1臺大流量液壓注漿泵及相關管路組成，見圖2.

按照既定水灰比設計水箱的放水臨界點控制水量，當水進入高速制漿機時，按照要求上料，經過高速制漿機的均勻攪拌，打開氣控閥，兩種漿液通過注漿泵輸送至充填膜袋。充填過程中嚴格控制充填材料漿液水灰比，保證高水材料充填支柱的強度。

3.3 充填支柱施工工藝

充填支柱施工工藝流程設計為：準備工作(支柱布置位置選取、巷道底板清理、材料就位、膜袋檢查、設備調試、管路連接等)→吊掛柔模袋→固定模袋→下部支柱材料泵送充填→固結成型→上部發泡材料充填→防護措施安裝，拆除木板。

3.4 充填支柱承載性能試驗

高水充填材料水灰比選用1.2∶1，澆筑d500 mm×高1 500 mm充填支柱，養護3天后對充填支柱進行單軸抗壓試驗，研究高水材料充填支柱的整體承載性能。試驗過程中，由于試驗機壓縮行程小，在支柱達到峰值強度后卸載，并進行二次加載。試驗曲線見圖3.

根據圖3可知，高水材料充填支柱峰值強度與材料本身強度有關，為10.65 MPa，但加上膜袋與外部環筋結構后，充填支柱的壓縮量89 mm，殘余強度達到9.1 MPa，可達峰值強度的85%. 通過對高水材料充填支柱承載性能試驗發現，其承載能力強，剛度較大，有一定的讓壓性能。

圖2 充填系統組成示意圖

圖3 高水材料充填支柱承載曲線圖

4 工程應用及效果檢驗

4.1 充填支柱設計及布置方式

結合5314工作面地質條件，充填支柱設計強度為13 MPa，按照1 m柱徑計算，可對頂板產生約700 t的支撐力。由于高水材料充填支柱自身的變形量小，因此充填支柱上部設計300 mm的發泡材料以提供合理的讓壓性能，發泡材料強度約為2 MPa，支柱變形率可達40%. 在膜袋結構作用下，充填支柱具有較高的殘余強度，承載性能穩定。

高水材料充填支柱在對接切眼空巷內布置3排支柱，支柱直徑1 m，支柱間排距均為1.5 m，排距1.7 m. 且在機頭硐室適當加密布置，充填支柱布置見圖4.

圖4 充填支柱布置設計圖

4.2 錨桿錨索補強

空巷原有錨桿錨索設計為頂板每排6根錨桿，間排距1 m×1 m，每排3根錨索，間排距1.6 m×2 m；兩幫每排5根錨桿，間排距1 m×1 m，每排3根錨索，間排距1.6 m×2 m. 為了有效控制空巷的變形，防止發生冒頂事故，在原支護基礎上，補打錨索梁，一梁兩索，交叉布置，錨索長度均為7.4 m.

4.3 煤壁注漿加固

在對接切眼巷道中向空巷兩側煤體中布置上下兩排鉆孔，煤柱側鉆孔深度設計為20 m、孔徑42 mm，鉆孔呈“三花”布置；下排鉆孔開孔高度1.3 m，鉆孔仰角2°，鉆孔間距6 m；上排鉆孔開孔高度2.8 m，鉆孔水平布置，鉆孔間距6 m，待采區一側鉆孔深度為10 m，其余參數與煤柱注漿參數保持一致，鉆孔布置見圖5.

圖5 注漿鉆孔布置示意圖

4.4 效果檢驗

通過在空巷布置測點觀測空巷變形量分析此次工程效果。監測數據顯示，隨工作面的推進，對接切眼前方20 m位置圍巖開始發生變形，中部頂板下沉量、兩幫收縮量以及底鼓量都大于兩端頭范圍。基于工程安全考慮，在工作面距離空巷12 m時進行最后一次巷道變形測量，頂板最大下沉量350 mm，中部兩幫移近量最大280 mm，巷道底鼓量最大230 mm，大斷面空巷變形得到有效控制，最終超長工作面順利通過空巷。

5 結 論

1) 針對超長工作面過大斷面空巷，提出了高水材料充填支柱支護技術，從材料、充填系統及施工工藝等方面形成了完整的支護體系。該技術支護施工速度快，易被割煤機切割，能有效保證采煤機揭露和通過空巷時頂板和煤幫的穩定性。

2) 通過充填支柱承載性能試驗分析，高水材料充填支柱的承載能力強峰值強度可達10.65 MPa，外部膜袋結構能夠使充填支柱殘余強度提高至峰值強度的85%. 高水材料充填支柱的承載性能穩定，適用于大斷面空巷支護。

3) 5314超長工作面以充填支柱支護為主、空巷兩幫煤壁超前預注漿加固為輔過大斷面空巷的綜合治理手段，有效控制了大斷面空巷的變形，超長工作面順利通過。