泵送支柱技術(shù)在工作面過空巷中的應(yīng)用

王 震

(神東煤炭集團(tuán) 石圪臺煤礦， 陜西 榆林 719000)

礦井回采條件復(fù)雜，工作面煤層中常構(gòu)筑一些特殊用途的巷道，由于小煤窯的偷挖亂采，煤層中會遺留不規(guī)則的回采巷道。這些遺留的空巷給后期礦井的安全開采造成了極大的困難[1-3]. 諸多學(xué)者針對綜采工作面過空巷技術(shù)，基于傳統(tǒng)支護(hù)方法進(jìn)行了研究，在一些礦井過空巷過程中起到了一定的作用，但是由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，研究成果在不同的礦井表現(xiàn)出的效果也不相同[4-5]. 以石圪臺煤礦22406-2綜采工作面過空巷為背景，提出了泵送支柱過空巷技術(shù)，以保證工作面安全順利通過空巷。

1 工程概況

22406-2綜采工作面位于石圪臺井田22煤四盤區(qū)，工作面煤層埋深95～110 m. 工作面寬度223.6 m，推進(jìn)長度煤層厚度4.4～4.7 m，工作面設(shè)計(jì)采高4.5 m，推進(jìn)長度893.9 m. 工作面共布置132臺ZY12000/25/50D液壓支架支護(hù)，基本頂為粉砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖，平均厚度17.2 m；直接頂為細(xì)粒砂巖、粗粒砂巖，平均厚度5.7 m；直接底為泥巖、粉砂巖、中粒砂巖，平均厚度6.2 m.

空巷與工作面位置關(guān)系見圖1. 空巷寬度均為5.4 m，巷高3.8～4.8 m，空巷間煤柱15 m. 空巷在掘進(jìn)時(shí)采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，工作面在過空巷期間，極易發(fā)生切頂、大面積冒頂?shù)痊F(xiàn)象，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。

圖1 22406-2綜采工作面與空巷相對位置關(guān)系圖

2 泵送支柱技術(shù)

泵送支柱在國外被廣泛應(yīng)用于礦山巷道支護(hù)中，主要由可充填的無機(jī)材料及充填袋組成。其中，無機(jī)填充材料主要由硅灰、礦粉、硅酸鹽水泥按照一定的水料比混合而成。通過專用輸送泵將其輸送至充填袋內(nèi)，快速凝結(jié)形成高強(qiáng)度、可變現(xiàn)的支柱。泵送支柱與錨桿、木垛支護(hù)相比，支撐強(qiáng)度高、讓壓變形能力強(qiáng)、殘余支撐強(qiáng)度高、具有可切割性。

22406-2工作面采用了泵送支柱對空巷進(jìn)行提前支護(hù)，空巷內(nèi)共設(shè)計(jì)兩排支柱，設(shè)計(jì)支柱尺寸為1.0 m，支柱高度根據(jù)空巷高度確定，平均高度4.5 m，每個(gè)空巷內(nèi)共布置2排支柱，每排23根，支柱間距10.0 m，排距3.0 m，距離空巷兩幫各1.0 m. 支柱布置見圖2.

圖2 泵送支柱布置圖

3 數(shù)值模擬分析

為了分析泵送支柱對空巷的支護(hù)作用，通過建立FLAC數(shù)值模擬模型，對工作面距離空巷5～30 m位置時(shí)，空巷圍巖應(yīng)力狀態(tài)及變形進(jìn)行分析。

考慮到工作面的對稱性，模擬工作面寬度的一半111.8 m，在工作面兩側(cè)留20 m保護(hù)煤柱，即模型總寬度151.8 m；模擬工作面推進(jìn)長度200 m，推進(jìn)方向起始兩側(cè)留50 m實(shí)體煤，模型總長度300 m. 模擬22406-2工作面頂板巖層60 m，煤層厚度4.5 m，工作面底板厚度15 m，即模型高度為79.5 m，模型尺寸151.8 m×300 m×79.5 m. 模型頂部根據(jù)工作面埋深施加均布載荷，兩側(cè)限制水平方向位移，模型底部限制垂直方向位移。為了更準(zhǔn)確地分析工作面推進(jìn)過程中，空巷在泵送支柱支撐下圍巖受力狀態(tài)，模型對工作面空巷前后30 m范圍內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)分，其余位置按照距離空巷越遠(yuǎn)網(wǎng)格劃分逐漸增大。工作面距離空巷不同位置時(shí)，空巷圍巖受力狀態(tài)見圖3.

圖3 工作面距空巷不同距離時(shí)空巷圍巖應(yīng)力變化特征圖

由圖3可以看出，隨著工作面距離空巷越來越近，工作面與空巷之間煤柱應(yīng)力狀態(tài)先后經(jīng)歷了“雙峰”—“孤峰”—“雙峰”的變化。距離空巷30 m時(shí)，煤柱垂直應(yīng)力兩個(gè)峰值均為32.6 MPa，當(dāng)距離空巷15 m時(shí)雙峰徹底消失，變?yōu)楣路澹逯禐?6.8 MPa；當(dāng)距離空巷10 m時(shí)，再次出現(xiàn)雙峰的應(yīng)力分布，說明泵送支柱此時(shí)受到了較大的超前應(yīng)力影響；當(dāng)工作面推進(jìn)到距離空巷5 m時(shí)，雙峰并沒有消失，說明此時(shí)泵送支柱完全承受住了工作面采動的影響，承受的載荷較大，但并未破壞。工作面距離空巷不同位置時(shí)，空巷圍巖移近量變化見圖4.

圖4 工作面距空巷不同距離時(shí)空巷圍巖移近量變化特征圖

由圖4可知，隨著工作面不斷推進(jìn)，空巷圍巖移近量呈現(xiàn)先增大，后趨于穩(wěn)定的特征。當(dāng)距離空巷25 m時(shí)，空巷頂?shù)装寮皟蓭鸵平块_始逐漸增大，當(dāng)距離空巷10 m左右時(shí)，空巷頂?shù)装濉蓭鸵平窟_(dá)到最大，頂板下沉量達(dá)400 mm，兩幫移近量達(dá)200 mm. 隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤霈F(xiàn)了小幅變化，整體變形量不大，說明泵送支柱能夠承受工作面超前應(yīng)力，保證安全通過空巷。

4 工程實(shí)踐

22406-2綜采工作面過空巷過程中，20～110架頂板下沉0.1～0.8 m，主要以片幫為主，兩幫片幫深度200～500 mm；過空巷過程中的泵送支柱頂部有明顯的變形，受力較大，煤機(jī)截割時(shí)塊度較小，截割后剩余部分依然能起到支護(hù)作用，殘余支撐強(qiáng)度較高，始終對空巷頂板起到了較好的支撐作用。過空巷期間泵送支柱易于截割，未出現(xiàn)失穩(wěn)傾倒等情況，能夠承受頂板強(qiáng)烈來壓，保證了工作面安全順利通過空巷。

5 結(jié) 論

1) 泵送支柱技術(shù)是一種新型的巷道支護(hù)技術(shù)，支撐面積大、強(qiáng)度高、可切割、具有一定的可縮性，適合井下動載壓力情況下巷道被動支護(hù)。

2) 通過數(shù)值模擬分析工作面推進(jìn)過程中空巷圍巖受力及變形情況，得出了空巷圍巖受力狀態(tài)呈現(xiàn)“雙峰”—“孤峰”—“雙峰”的變化，空巷圍巖移近量先增大，后趨于穩(wěn)定。充分說明泵送支柱能夠承受工作面超前應(yīng)力，保證安全通過空巷。

3) 在22406-2綜采工作面現(xiàn)場應(yīng)用了泵送支柱技術(shù)，在工作面過空巷期間，未出現(xiàn)煤柱壓垮、空巷嚴(yán)重破壞的現(xiàn)象，空巷整體結(jié)構(gòu)完整，泵送支柱安全可靠，該項(xiàng)技術(shù)為工作面安全順利過空巷提供了良好的技術(shù)保障。