10-102綜采工作面過空巷控制技術研究

任文奎

（山西焦煤集團霍州煤電集團安全監察局，山西 霍州 031400）

1 工程概況

霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦正在回采10-102工作面位于一采區準備巷道左翼，上部為9-104、106采空區，西面為10-106采空區，東面及南面為實體煤。該工作面所采10#煤層的平均厚度為2.95m，煤層中部夾有3層厚度約0.2m的碳質泥巖，煤層厚度變化較小，屬穩定煤層。直接頂為平均厚度1.1m的泥巖，基本頂為平均厚度1.4m的砂質泥巖，直接底為平均厚度0.8m的泥巖，基本底為平均厚度2.84m的泥巖。10-102工作面在回采過程中會穿過皮帶巷和軌道巷，如圖1所示。軌道巷沿煤層底板掘進，設計斷面為3.8×2.8m，采用錨網索聯合支護。當10-102工作面回采至空巷附近時，由于超前支承壓力過大，可能會導致空巷的頂板垮落，影響工作面的安全生產。

圖1 10-102工作面過空巷示意圖

2 工作面過空巷圍巖變形破壞分析

2.1 模型的建立

根據木瓜煤礦10-102工作面上覆巖層的物理力學參數，借鑒類似綜采工作面過空巷的經驗[1-2]，通過UDEC軟件建立10-102工作面過空巷模型，研究10-102綜采工作面過空巷時空巷的圍巖變形和塑性區的變化情況。所建數值模型計算選用Mohr-Coulomb模型，所建模型長300m，高60m，其中10-102工作面所過空巷寬3.8m，高2.8m。整個數值模擬經過了6個步驟，依次為模型建立、原巖應力平衡、開挖空巷、空巷支護、10-102工作面回采及計算平衡并分析。

2.2 工作面推進方案

數值模擬中10-102工作面分5個階段向空巷方向推進。第一階段，10-102工作面回采至距空巷25m處；第二階段，10-102工作面回采至距空巷20m處；第三階段，10-102工作面回采至距空巷15m處；第四階段，10-102工作面回采至距空巷13m處；第五階段，10-102工作面回采至距空巷10m處。

2.3 數值模擬結果分析

圖2 工作面回采過程中空巷圍巖變形特征

如圖2為10-102工作面回采過程中空巷的圍巖變形特征。觀察圖2（a）、（b）、（c）可發現：工作面從距空巷25m處回采至距空巷15m時，空巷的頂板及兩幫基本上沒有發生形變，并且煤柱側沒有出現明顯的塑性破壞區域。觀察圖2（c）、（d）發現：工作面從距空巷15m處推進至距空巷13m的過程中，空巷的兩幫及頂板開始發生形變，頂板的塑性破壞高度達到約4m，工作面回采對空巷造成的影響開始顯現。觀察圖2（d）、（e）發現：工作面從距空巷13m處推進至距空巷10m的過程中，在圍巖形變量繼續增大的基礎上，空巷煤柱側的形變量明顯大于實體煤側的形變量，這是由于回采工作面的采動影響對煤柱側和實體煤側的影響不同所致，煤柱側的塑性破壞深度由1.5m增加至3m左右，空巷進入回采劇烈影響期。觀察圖2（e）發現：工作面推進至距空巷10m處時，空巷的兩幫移近量和頂底板移近量均會超過巷道允許的形變量范圍，并且煤柱側全部處于塑性破壞狀態，最終巷道可能會發生垮塌，工作面過空巷的危險系數極高。即使巷道不發生垮塌，也會由于圍巖變形量過大，導致巷道斷面嚴重縮小，影響行人及通風，并且工作面在過空巷的過程中，由于工作面前端頂板持續下降，可能會造成支護設備及液壓支架的損壞，這些因素都容易造成事故的發生。

隨著工作面與空巷距離的不斷縮小，煤柱側將全部處于塑性破壞狀態，最終巷道可能會發生垮塌，工作面過空巷的危險系數極高。因此為了保證10-102綜采工作面安全順利地通過空巷，需要對空巷采取必要的補強支護措施。

3 過空巷技術及效果

3.1 高水材料空巷充填技術

高水材料空巷充填技術[3]是指在空巷內充填凝固強度高、流動性較好的高水材料，利用充填體具有的承載能力保持頂板和其自身的完整，支撐基本頂并傳遞支架的支護阻力，在工作面過空巷時綜采機割下充填體以達到安全過空巷的目的。高水材料充填體具有良好的塑性變形特征，經過實驗發現，充填體的應變達到10%左右時，變形后的充填體仍能保持峰值抗壓強度的50%以上。與一般的水泥類材料相比，高水材料的優點突出表現在其較短的凝結時間，凝結早期強度高，可以通過改變水灰比和添加劑得到不同強度的凝結體來適應不同的工況，高水灰比條件下的結實率為100%，單位充填體積內的高水材料用量較少，便于施工。因此，可以通過在空巷內充填高水材料來控制圍巖變形，防止工作面過空巷時發生冒頂、垮塌等事故。

借鑒類似工況下的作業經驗，本次選取水灰比為2.25:1，高水材料在高水灰比的條件下，會由于水化反應生成大量的鈣礬石，鈣礬石的結晶水分子容積高達81.16%，根據實驗得到，在該水灰比條件下，24h后材料的三軸抗壓強度達到了3MPa。

3.2 空巷充填施工方案

為了保證空巷注漿充填[4]的效果優良，需要在較短的時間內使漿液充滿整個待充填孔間，使高水材料充填體在凝結初期就有良好的接頂效果，因此要選擇合適的注漿作業設備并對施工人員進行作業培訓。本次注漿選用2ZBYSB型雙液注漿泵，連接兩條直徑為32mm的高壓管路進行漿液的輸送，通過三通在充填點混合并進行充填。10-102綜采工作面所過空巷長度約220m，在進行空巷充填作業時，以巷道底板為標高，每8m劃分一段，自南向北依次充填。為了防止注漿過程中漿液流出充填段，需要在充填段起止兩側裝設止漿墻來保證該充填段的充填效果。止漿墻以木立柱為骨架，在其兩側釘上厚度為15mm的木板，并在木板表面襯一層風筒布以達到止漿的效果。止漿墻裝設完成后，在充填段布設充填管路進行注漿作業，完成本充填段的注漿作業后，依次進行下一充填段的注漿作業。如圖3為空巷分段充填示意圖。

圖3 空巷分段充填示意圖

3.3 工作面過空巷效果分析

為了檢驗空巷的充填效果，在沿工作面長度方向上采用YHY-604型液壓支架測力儀布置上、中、下三條液壓支架測線，來監測10-102工作面壓力的變化情況。工作面在揭露空巷、過空巷和通過空巷后的支架受力是不同的，將3條測線所得數據進行均值處理，繪制得到10-102工作面過空巷液壓支架平均壓力變化曲線，如圖4所示。

圖4 10-102工作面過空巷液壓支架平均壓力變化曲線

觀察圖4發現，10-102工作面距空巷的距離大于40m時，工作面液壓支架的平均阻力約29.4MPa，工作面支架阻力大小和空巷并沒有直接聯系；工作面由距空巷40m的距離推進至距空巷20m的距離的過程中，工作面液壓支架的最大平均阻力為29.6MPa，增幅不明顯；工作面由距空巷20m的距離推進至空巷的過程中，可以明顯觀察到工作面液壓支架的平均阻力迅速上升至30.5MPa，但是較支架正常工作阻力僅增加了3.6%，并且工作面過空巷時沒有發生支架安全閥開啟的現象；待工作面通過空巷后，工作面支架阻力恢復至正常值。

綜上，高水材料空巷充填技術在木瓜煤礦的現場應用效果較好。10-102工作面通過空巷時，工作面液壓支架的平均阻力較支架正常工作阻力僅增加了3.6%，能夠保證10-102工作面安全的通過空巷。

4 結論

通過UDEC軟件建立10-102工作面過空巷模型，研究10-102綜采工作面過空巷時空巷的圍巖變形和塑性區的變化情況。發現隨著工作面與空巷距離的不斷減小，空巷的圍巖變形量和塑性區范圍不斷增大，圍巖塑性區達到4m左右，最終會導致空巷發生垮塌，需要采取措施避免空巷影響工作面的正常掘進。在現場應用高水材料空巷充填技術后，工作面通過空巷期間工作面液壓支架的平均阻力僅增加了3.6%，并且沒有發生安全閥開啟的現象，能夠保證10-102工作面安全的通過空巷。