泵送支柱技術在工作面過空巷中的應用分析

王瑞華

(山西煤炭運銷集團壽陽亨元煤業有限公司，山西 晉中 045400)

礦井綜采工作面開挖施工中，因地質條件及結構等多方面因素的影響，工作面作業具有繁雜性，再加上小煤窯存在偷采現象，使得內部巷道的布置存在混亂性，綜采過空巷作業受到諸多阻礙，不利于工作的順利進行。為此，很多專家學者針對綜采過空巷問題實行探討，在原有支護技術的基礎上對過空巷技術予以創新和優化，以期改進施工質量，維護綜采過空巷施工安全作業。

1 項目簡介

某煤礦工作面主采12#煤，工作面總體長度約242 m，煤層厚度在3.5 m～4.4 m，傾斜角度最大不超過3°，埋深距離約在80 m～120 m，屬于近水平淺埋煤層。在綜采工作面作業中，推進距離在1 250 m左右，為改進施工質量，選用大采高一次采綜合機械化開采設備，開采高度控制在3.8 m左右。

在現場煤層結構調查中了解到，煤層結構共分為直接頂、基本頂和直接底三部分，其中直接頂結構是由中粒砂巖、粉砂巖、細粒砂巖構成的，厚度約在7.5 m；基本頂由砂質泥巖、細粒砂巖混合構成，厚度在21 m左右；直接底則是由粉砂巖、砂質泥巖、中粒砂巖混合構成的，厚度在5.3 m左右。

此外，在現場勘查中發現，本開采作業因受到小煤窯偷采問題的影響，在工作面中預留較多廢氣巷道，尤其是中部區域最為明顯，巷道尺寸為5 m×3.8 m，頂板近采用了錨桿、錨索、鋼梁及單體結構的聯合支柱措施，這使得在工作面過空巷作業中，很容易因壓力的增大而導致工作面出現切頂或冒頂問題，進而增加多空巷施工的危險性，加大施工難度。基于此，在工作面過空巷作業中，有必要采用泵送支柱技術對其予以支護保護，確保設備順利通過空巷位置。

2 泵送支柱技術

泵送支柱技術作為目前工作面過空巷采用的新型技術，在實際應用中具有以下幾方面優勢：首先，泵送支柱技術可有效增大頂板結構的支護強度，替換原有的木垛或單體液壓支護，增強頂板結構穩定性；其次，該技術在實際應用中具有很好的切割性能，可加快過空巷的通過速度，有助于推進；最后，該技術的應用增強了過空巷頂板結構的抗壓變形能力，減少頂板破壞時對作業安全產生影響[1]。

泵送支柱技術在國外綜采工作面過空巷作業中得到了廣泛的應用，且憑借其良好的支護效果，該技術得到了進一步推廣，我國對該技術的引入時間較短，不過其發揮的作用卻較為顯著，有必要加大對其重視力度。

泵送支柱技術在應用中需要的材料有可填充無機材料和充填袋這兩種。其中可填充的無機材料以硅灰、礦粉、硅酸鹽水泥這三種為主。在實際應用前，需要結合現場作業需求合理確定原材料配比，優化材料性能。在實際作業中，將混合后的材料利用輸送泵運送到充填袋中，使其形成高強度的變形量支柱，以此達到支護效果。充填袋大多以圓柱形結構為主，外層使用的材料為PVC涂布，涂布內設置高強度的塑料綁帶或鋼絲材料，起到束縛作用，確保混合料輸送到充填袋后，能夠按照充填袋結構形狀形成穩定且高強度的支柱。

另外，充填袋還具有防火和較強的抗拉延展性能，能夠提高形成支柱的質量，減少不良因素對其的影響。目前在工作面過空巷作業中，由于現場環境的不同，填充袋的尺寸也會存在差異，相應的支柱直徑也會有所不同，最常出現的支柱直徑以0.5 m、0.6 m、0.8 m和1.0 m這四種為主。

同傳統的錨桿支護、木垛支護方式相比，泵送支柱支護能夠更好地提升支護效果，增強抗壓變形能力，維護過空巷的安全作業，再加上自身具有的可切割性，在實際作業中可有效改進施工效率，降低施工難度[2]。泵送支柱一般是由兩層充填體構成的，上層厚度控制在300 mm左右，形成較為穩固的讓壓層，避免頂板結構出現變形問題。單體的泵送支柱其承載能力可達到10 kN～50 kN，滿足了工作面過空巷施工作業的要求。且在發揮可切割性的同時，不會對其他設備帶來任何影響，相反還有助于提高設備施工效率，降低作業危險性。基于泵送支柱的上述特點,該技術可應用于回撤通道、軟巖巷道及礦壓較大的空巷支護,既能增強巷道圍巖穩定性,又可以保證煤機安全順利地通過空巷。

3 泵送支柱試驗

為方便工作人員進一步了解泵送支柱技術的功能和作用，通過模擬試驗方式對泵送支柱的性能實行檢測[3]。本次試驗中，制作了一個直徑200 mm、高600 mm的圓柱泵送柱體。其中的混合填充料約550 kg，在填充料配置過程中，水灰比控制在1.2～1.4，將填充料凝結時間控制在3 min～7 min，漿體的濕比重控制在每立方米1 300 kg～1 450 kg左右。試驗過程中，分別對裝有讓壓層和未裝有讓壓層的柱體實行試驗測試，了解泵送柱體強度變化情況。本次試驗政體測試周期約20 d。

在試驗階段內，不同時間段內泵送柱體抗壓強度值分別為：2 h的抗壓強度為1.2 MPa；4 h的抗壓強度為2.8 MPa；1 d的抗壓強度為3.6 MPa；3 d的抗壓強度為5.2 MPa；一星期的抗壓強度為7.4 MPa；14 d的抗壓強度為9.6 MPa；20 d的抗壓強度為15 MPa。泵送柱體應力測試結果為：第一屈服點中，有讓壓層柱體的應力值約16.8 MPa；第二屈服點中，有讓壓層柱體的應力值約20.4 MPa；第一屈服點中，無讓壓層柱體的應力值約7.6 MPa；第二屈服點中，無讓壓層柱體的應力值約15.2 MPa；有讓壓層的殘余強度為12.2 MPa；無讓壓層的殘余強度為11.7 MPa。兩者均存在屈服破壞的情況。

通過對所得數據的分析可以看出，在單軸壓力的作用下，泵送支柱最大可承受的承載力在20.4 MPa左右，相當于50 mm左右的距離。而在第二屈服點后，其承載力逐漸下降，直到達到屈服破壞值后，柱體出現輕微的破壞現象，待達到最大殘余強度后，才會出現明顯的變形問題，這足以說明泵送支柱的承載力較強，可以很有效加強頂板結構的穩定性。

另外，在本次試驗中，通過對有讓壓層和無讓壓層的情況進行了分析對比，得出的結果為，有讓壓層的支撐結構其強度要明顯高于無讓壓層的支撐結構，且承擔荷載及承擔的變形量也逐漸增加，說明有讓壓層的泵送支柱可以起到支撐保護頂板結構的作用，滿足工作面過空巷作業的需求[4-5]。

4 工程實踐

結合本工程項目的實際情況，在過空巷作業中，設置了泵送支柱作為主要支柱設施。泵送支柱的尺寸控制在1 m左右，并在頂端部位設置了一層厚度在300 mm左右的讓壓層，以此來增大支柱的強度。泵送支柱的高度則以空巷高度為準進行設置，一般情況下約3.5 m左右。在整個區域內平均設置了兩排泵送支柱，共134根，間距控制在3 m×3 m左右，兩側煤壁間距要控制在0.5 m左右。

將泵送支柱技術應用到工作面過空巷作業中后，在施工過程中一共發生2次大面積的來壓，這使得支架壓力呈現上升趨勢，增幅較正常壓力增大了近2.7%左右。但對于空巷圍堰結構來說，在高壓作用下，并未出現冒頂、幫鼓及底鼓等情況，巖層結構的穩定性較高，雖然頂板位置及兩幫位置出現一定的位移，位移間距分別為282 mm和152 mm，但并未對結構穩定性產生嚴重破壞，在過空巷期間未出現嚴重的失穩情況，保障了開采作業的順利進行。

5 結語

根據上述實踐研究及試驗測試可以看出，泵送支柱技術在工作面過空巷作業中的合理應用，有效提升了工作面過空巷中支撐面的承載能力，加大頂板結構的強度，且通過可切割性能的充分發揮，降低過空巷作業的難度，提高了工作效率。另外，泵送支柱技術的引用也加強了結構的支護效果，保證結構穩定性，避免危險事故的發生。除此之外，在試驗分析過程中，通過有讓壓層與無讓壓層的試驗結果的對比分析，了解到泵送支柱技術在實際應用中，合理設置有讓壓層能夠有效增大頂板結構的強度，減少變形問題的產生，增大總體承壓能力，以此促進工作面過空巷作業的順利開展，全面改進綜采工作面的施工質量。