霍爾辛赫煤業(yè)工作面過空巷加固技術(shù)研究與應(yīng)用

王云霄

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046600）

1 工程概況

山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司主采3#煤層，煤層厚度4.89～6.32m，均厚5.65m，煤層平均埋深549m，采用綜采一次采全高回采工藝。即將回采的3601 工作面傾斜長度191m，推進(jìn)長度1546m，在推進(jìn)至770m 處需過3603 綜采工作面回風(fēng)措施巷空巷，推進(jìn)至800m 處需過3603 綜采工作面運輸順槽措施巷空巷。3603 回風(fēng)措施巷與3603 運輸順槽措施巷兩條空巷巷道屬全煤巷，沿巷道頂板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，巷道長191m，寬4.6m，高3.1m。3601 工作面空巷原有支護(hù)方式為錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)，3601 工作面回采期間面臨過平行空巷的問題，過空巷期間如果處理不當(dāng)將存在壓架、工作面煤壁片幫、回采巷道變形嚴(yán)重等問題。

2 工作面過空巷頂板穩(wěn)定性分析

工作面正常回采期間，其基本頂需重復(fù)經(jīng)歷破斷、回轉(zhuǎn)下沉、穩(wěn)定等階段，假設(shè)工作面過空巷期間，其基本頂破斷過程如圖1（a）所示。隨著采煤工作面和空巷間煤柱寬度的減小，當(dāng)煤柱內(nèi)的壓力達(dá)到其承載的極限時，煤柱在較短的時間內(nèi)失去其支承能力，基本頂懸露長度增大，達(dá)到或超出其極限斷裂步距，在煤柱上方或空巷上方斷裂，形成巖塊A、B、C。巖塊C 基本已經(jīng)壓實穩(wěn)定，巖塊A 未破斷，工作面的回采、推進(jìn)伴隨著巖塊B 的破斷、回轉(zhuǎn)下沉，若巖塊B 發(fā)生滑落和轉(zhuǎn)動失穩(wěn)，將引起空巷及工作面頂板急劇下沉，礦山壓力顯現(xiàn)劇烈。因此，為實現(xiàn)工作面安全過空巷，基本條件是空巷內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)和工作面給予巖塊B 足夠的支撐力，防止巖塊B 發(fā)生滑落或轉(zhuǎn)動失穩(wěn)。

根據(jù)工作面過空巷期間其基本頂?shù)钠茐摹⑦\移特征，巖塊B 對于工作面是否能夠安全過空巷異常關(guān)鍵，對巖塊B 的受力狀態(tài)進(jìn)行簡化：巖塊B 與巖塊A、C 之間為鉸接接觸，巖塊B 長度為工作面基本頂周期斷裂步距，工作面液壓支架和空巷內(nèi)支護(hù)體系直接給予巖塊B 支撐力。因此空巷基本頂?shù)氖芰μ卣骺梢院喕癁槿鐖D1（b）所示。為防止巖塊B 滑落或轉(zhuǎn)動失穩(wěn)，巖塊B 的受力需滿足TAtanφ ≥QA，其中tanφ 為巖塊間的摩擦因數(shù)，取0.2；TA、QA、TB、QB分別表示巖塊B 與巖塊A、C 之間的水平力和剪切力。

圖 1 工作面過空巷頂板垮落模型

為防止巖塊B 失穩(wěn)須滿足公式[1]：

式中：

TA/a-接觸面上的平均擠壓應(yīng)力，MPa；

η-因巖塊在轉(zhuǎn)角處的特殊受力條件而取的系數(shù)，取 0.3；

a-巖塊B 與巖塊A、C 的接觸高度，為0.2m；

σc-巖塊的抗壓強(qiáng)度，取60MPa。

將以上參數(shù)帶入式（1） 計算可得TA≤3.6MPa，根據(jù)受力極限平衡原理可得巖塊B受力需滿足以下計算公式[2]：

式中：

l-巖塊B 長度，即周期來壓步距，m；

q-巖塊B 及其上部軟弱巖層單位長度的自重，MN/m；

q0-直接頂單位長度自重，MN/m；

P1，P2-空巷和工作面支護(hù)阻力，MN/m，P1作用于0.5b，P2的合力作用于d/3。

b、d-空巷和工作面支護(hù)控頂寬度，m。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，將3601 工作面詳細(xì)的參數(shù)帶入式（2），計算可得空巷支護(hù)阻力P1與空巷寬度b、工作面液架支護(hù)阻力P2之間的關(guān)系分別如圖2 所示。根據(jù)圖2（a）所示結(jié)果可知，空巷所需支護(hù)強(qiáng)度基本上與空巷寬度呈線性關(guān)系，隨著空巷寬度的增大，所需的支護(hù)阻力也不斷增大。工作面正常回采條件下，液壓支架工作阻力應(yīng)為4200kN，當(dāng)空巷寬度為4.6m 時，液壓支架工作阻力需不小于8500kN，而3601 工作面現(xiàn)有液壓支架額定工作阻力為5200kN，顯然支護(hù)強(qiáng)度無法滿足過空巷的要求。圖2（b）所示結(jié)果為空巷支護(hù)阻力P1與工作面液架支護(hù)阻力P2之間的關(guān)系。工作面液壓支架工作阻力為5200kN 時，空巷內(nèi)需提供3300kN 的支護(hù)阻力，因此，為了保證工作面安全順利通過空巷區(qū)域，應(yīng)做好空巷加固工作，支護(hù)阻力應(yīng)達(dá)到3300kN 以上。

圖 2 理論計算結(jié)果示意圖

3 工作面過空巷期間加固

3.1 空巷支護(hù)

根據(jù)上文分析結(jié)果可知，3601 工作面過空巷期間僅依靠液壓支架的支撐，無法確保工作面的安全，需要采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧岣呖障飳τ陧敯宓闹ёo(hù)阻力。參考類似開采技術(shù)條件下成功應(yīng)用的實例[3-4]，設(shè)計采取在空巷內(nèi)補打木垛和構(gòu)建十字砌塊墻的加固措施，如圖3 所示。在3601 工作面兩個空巷內(nèi)每間隔10m 布置兩個木垛和一個十字砌塊墻，木垛和十字砌塊墻間距為3 ～5m。十字砌塊墻主墻沿空巷長度方向，尺寸（長×寬×高）為=2.5×1.5×3.1m，十字砌塊墻輔助墻沿工作面推進(jìn)方向，尺寸（長×寬×高）為=1.2×0.9×3.1m。每個砌塊墻由一個主墻和兩個輔助墻組成，混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度為25MPa。工作面過空巷期間，采煤機(jī)直接將十字砌塊墻截割、運出，能夠減少回收工作及其不安全因素，加快工作面過空巷推進(jìn)。空巷和回采巷道交叉點在全錨網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，加大錨索密度，并根據(jù)現(xiàn)場具體情況打設(shè)連鎖木垛。

圖 3 空巷加固支護(hù)示意圖

3.2 超前支護(hù)

為保證3601 工作面過空巷期間回采巷道的穩(wěn)定性，運輸巷超前45m架設(shè)單體柱π型梁棚支護(hù)（單體柱高度3.15m，π 型梁高度4.0m 或4.3m），棚距0.6m，轉(zhuǎn)載機(jī)里側(cè)一梁三柱，轉(zhuǎn)載機(jī)外側(cè)一梁二柱。回風(fēng)巷內(nèi)超前45m 架設(shè)一梁三柱工字鋼棚支護(hù)（單體柱高度3.15m、工字鋼長3.5m），棚距0.8m。

4 應(yīng)用效果監(jiān)測

4.1 液壓支架工作阻力

工作面回采期間，定期記錄液壓支架的工作阻力。根據(jù)工作面過空巷期間支架工作阻力的監(jiān)測結(jié)果，分析總結(jié)支架阻力具有以下特點：（1）中部支架的工作阻力比下部和上部要大，周期來壓期間中部支架的平均工作阻力為4894kN，而下部、上部的支架平均工作阻力為4235kN、4145kN；（2）周期來壓動載系數(shù)波動正常，下部、中部、上部的平均動載系數(shù)分別為1.24、1.29、1.25，平均為1.26；（3）工作面過空巷期間，未出現(xiàn)支架工作阻力超限的現(xiàn)象，支架能夠滿足工作面周期來壓期間支撐頂板的要求，工作面成功安全地通過空巷區(qū)域。

4.2 巷道表面變形量

圖 4 巷道表面位移變化規(guī)律

根據(jù)圖4 所示結(jié)果可以看出，在距工作面煤壁90～100m 處巷道開始變形，變形速度緩慢，與工作面距離在70m 范圍內(nèi)時，巷道變形速度明顯增大，直至工作面回采至測點處，運輸巷頂?shù)装濉蓭鸵平烤S持在450mm 以下，回風(fēng)巷頂?shù)装濉蓭拖鄬σ平烤?00mm 以下，能夠滿足工作面正常安全生產(chǎn)的要求。

4.3 工作面片幫

現(xiàn)場監(jiān)測工作面正常回采期間和過空巷期間煤壁的片幫程度，監(jiān)測結(jié)果詳見表1。過空巷期間煤壁片幫范圍在25%～30%左右，片幫深度0.5m 左右，片幫長度2m 左右。正常回采期間片幫現(xiàn)象較來壓期間要緩和許多，煤壁片幫范圍小于10%，片幫深度小于0.3m，片幫長度小于1.5m。整體而言，空巷影響下煤壁的片幫量略有增大，觀測期間，工作面片幫現(xiàn)象時有發(fā)生，但不會影響工作面正常回采。

表 1 工作面片幫統(tǒng)計表

5 結(jié)論

為確保3601 工作面能夠安全順利地通過空巷，設(shè)計采用“打木垛和構(gòu)建十字砌塊墻”的方式加固空巷，對局部冒頂嚴(yán)重的空巷采取砌墻注高水材料充填的加固措施。實際過空巷期間，對液壓支架的工作阻力、回采巷道的變形量及煤壁片幫進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果表明，所設(shè)計的加固措施很好地確保了工作面安全順利的推過空巷。