充填支柱在大采高工作面過空巷支護中的應用

孫侯明

（晉能控股裝備制造集團 長治仙泉煤業有限公司，山西 長治 046000）

0 引 言

早期我國很多地區淺部小窯開采時會選擇巷道式采煤，導致煤層中遺留很多空巷。在采煤工作面回采到空巷位置時，在采動影響下有可能造成冒頂、切頂、煤壁片幫等事故，甚至壓倒、壓死支架，對工作面安全高效回采產生較大影響[1-3]。目前針對空巷的治理措施主要為加強支護、注漿填充等手段，但這些手段都有一定局限性，存在適用條件苛刻、成本控制困難等問題[4]。長治仙泉煤業15105 工作面內存在大量早期老窯采煤形成的空巷，在回采過程中利用打木垛和超前注漿等方案進行治理效果不佳。為確保過空巷期間的安全生產，采用充填支柱法進行支護，該方法具有承受荷載大、受力穩定、易操作、回采簡便等特點，適合于15105 工作面空巷區域來壓強度大、來壓迅速的應用場景。在采用充填支柱法進行加強支護后，工作面順利通過空巷區域，確保工作面安全高效回采。

1 概 況

仙泉煤業15105 工作面位于該礦一采區中部，北部為一采區西翼回風巷，西部為15018 工作面（未回采）、15101 工作面采空區和15106 工作面，東部、南部為實體煤。該工作面采用走向長壁采煤法，綜采采煤工藝，全部垮落法管理頂板，走向長度522 m，傾斜長度175 m，主采15 號煤層，煤層厚度4.1～5.6 m，平均厚度4.88 m，煤層傾角3°～11°，平均6°，普遍含1 層夾矸，煤層結構較簡單。15101 工作面煤層底板標高＋781—＋852 m，對應地面標高＋1 062—＋1 129 m，埋深平均276 m。煤層直接頂板為K2 灰巖，平均厚度7.08 m，質地堅硬，不易垮落，煤層與直接底板之間局部發育黃泥層，厚度變化較大，黃泥層發育位置頂板相對破碎，呈塊狀填充；煤層直接底板為黑灰色泥巖和砂質泥巖，結構松軟，易吸水軟化。

15105 工作面回采區域受到原小河煤礦生產破壞，存在1 塊大面積采空區，以及多條空巷。這些采空區和空巷為早期沿頂板掘進和回采，與15105工作面上下順槽呈斜交關系，空巷多數位置準確，但空間關系錯綜復雜，局部展布密集，巷道寬度不一，存在一定積水，對煤層頂板存在較為嚴重的破壞。15105 工作面上下順槽外側分別發育1 條正斷層——F4 斷層（落差15 m） 和F3 斷層（落差3 ～10 m），2 條斷層形成一個地壘構造，斷層周邊次生小斷裂構造較發育，對工作面煤層賦存和頂底板存在一定影響。15105 工作面上下順槽及切眼在掘進過程中揭露了數條空巷和采空區，普遍出現支護困難的情況，疊加斷裂構造破壞，預計在回采過程中由于采動破壞和超前支撐應力轉移，會對空巷產生較大的影響，所以需要對空巷進行有效處理，消除安全隱患，同時，由于該工作面回采過空巷較多，對空巷的處理要綜合考慮成本以及綜采回采難度的問題，兼顧回采效率和經濟性。

2 工作面過空巷方案

2.1 采取措施

由圖1 可知，15101 工作面范圍內的空巷多數呈正交形態，因此工作面設計之初就對巷道布局進行優化，綜合考慮F4 斷層和F3 斷層發育情況，設計工作面回采方向與空巷斜交，從而控制超前支撐應力不會一次作用在大面積薄弱帶上，降低對空巷的采動影響。按照前期其他工作面回采過空巷期間經驗，采用打木垛和煤壁超前預注漿等措施效果欠佳，因此此次采用充填支柱法對空巷進行治理。

圖1 15105 工作面空巷分布與位置關系Fig.1 Relationship between No.15105 Face and abandoned roadway

2.2 充填支柱技術

工作面回采過程中原巖應力平衡被打破，超前支撐應力重新分布，特別對于大采高工作面而言，應力集中情況較為明顯。在工作面回采接近空巷的過程中，由于空巷位置本身頂板受到破壞，為薄弱面，礦壓顯現明顯，易發生漏頂甚至切頂事故。因此對工作面回采過程中空巷區域超前應力分布進行研究，能夠為充填支柱參數、工程施工節點等提供依據。

此次采用FLAC3D 數值模擬軟件對工作面臨近空巷期間超前支撐應力情況進行計算，摸清應力變化規律。設計在工作面距離空巷100 m 時至回采至空巷位置階段進行數值模擬，得到推采位置與頂板應力關系數據，如圖2 所示。

圖2 推采位置與頂板應力關系Fig.2 The relationship between mining position and roof stress

由圖2 可知，工作面推采接近空巷期間，空巷位置所受超前支撐應力呈逐漸增大趨勢，特別是在回采距離空巷20 m 位置后，支撐應力大幅提升，從12.3 MPa 提高至13.7 MPa，在距空巷位置5 m時支撐應力增幅趨緩。由此可知，如果不對空巷進行有效支護，其頂板可能在高應力作用下發生斷裂造成頂板事故?？紤]工作面應力情況和空巷實際，采用充填支柱法對頂板進行有效控制，確保過空巷期間安全回采。

2.3 充填支柱設計參數

（1） 充填支柱規格。根據仙泉煤業地質資料和原小河煤礦生產資料可知，15105 工作面內空巷高約4.0 m。按照以往工程經驗，本次充填支柱設計直徑為1 m，設計高度為4.0 m，且高度可以根據實際巷高和頂板情況進行調整。

（2） 充填支柱結構。

由圖2 可知，在工作面回采至空巷20 m 處，頂板壓力會突然增大，有可能出現瞬間動壓，在壓力過大的情況下會對充填支柱造成嚴重破壞，使其失去支撐作用。為解決這個問題，在充填支柱頂端設計讓壓層，其下為承壓層，其中讓壓層抗壓強度低于承壓層，在出現瞬間動壓的時候，讓壓層出現破壞，大量吸收頂板動壓能量，為頂板提供一定活動空間，從而保護下部承壓層結構不受破壞。充填支柱讓壓層設計高度300 mm，結構如圖3 所示。

圖3 充填支柱受力結構示意Fig.3 Force structure diagram of filling pillar

3 充填支柱注漿材料

此次充填支柱采用無機材料，主要成分為硅酸鹽水泥- 確保支柱后期抗壓強度、硫鋁酸鹽水泥-確保支柱前期抗壓強度、石膏- 提高水泥反應速度，以及配套速凝劑、增稠劑等。對不同水灰比的漿液進行凝固后抗壓強度實驗，實驗結果見表1。

表1 不同水灰比充填材料抗壓強度Table 1 Compressive strength of filling materials with different water cement ratio

由表1 可知，漿液水灰比控制在0.8～2.0∶1時，不同水灰比材料的抗壓強度不同，因此可以調整水灰比，利用材料抗壓強度的不同，分別對讓壓層和承壓層進行填充。水灰比自0.8∶1～2.5∶1，抗壓強度不斷下降。按照數值模擬結果同時參照以往支護情況，充填支柱的抗壓強度要求高于17 MPa，對照表格，水灰比1∶1 時30 d 抗壓強度18.47 MPa，能夠滿足要求。根據數值模擬結果，采動最大支撐應力為13.7 MPa，為保證讓壓效果，此次選擇讓壓層漿液水灰比為1.5∶1，30 d 后抗壓強度為12.69MPa，既能起到讓壓作用，同時也能夠保證充足的抗壓能力。

4 充填支柱應用和施工效果驗證

4.1 充填支柱施工方案

根據15105 工作面對應原小河煤礦生產資料，該工作面內存在空巷6 條，需要對其進行讓壓支護設計。對空巷地質條件進行分析，同時參考以往充填支柱應用經驗，根據充填支柱高度、直徑及其抗壓強度，設計空巷內充填支柱布置參數為：空巷內共布置2 排充填支柱，排距1 700 mm、間距2 000 m，距離回采一側幫距500 mm，距離實體煤側幫距800 mm，布置方案如圖4 所示。

圖4 15105 空巷充填支柱布置方案Fig.4 Filling pillar layout scheme for abandoned roadway

4.2 注漿充填工藝

此次采用的注漿材料為無機單液材料，注漿時直接泵送即可。按照設計將充填袋懸掛在巷道頂板錨桿或鋼筋網上，在頂底板對充填袋進行固定，確保其與頂底板垂直。然后調配注漿漿液對充填袋進行注漿，注漿管路上連接三通閥門，每次可對2 個充填袋進行注漿，達到設計壓力后關閉閥門，對下一組充填袋進行注漿。

4.3 施工效果驗證

為對充填支柱支護效果進行驗證，在工作面回采接近充填支柱時，采集液壓支架工作阻力，并繪制工作阻力變化曲線圖，如圖5 所示。

圖5 過空巷期間支架工作阻力變化Fig.5 The change of working resistance during crossing abandoned roadway

由圖5 可知，在13 日～16 日過空巷期間，152、160、168 號支架由于距離空巷位置不同，其工作阻力變化存在一定差異。工作面回采通過空巷期間，支架工作阻力呈現下降趨勢，未出現突然變大情況，說明該區域頂板應力已經提前釋放，在回采過程中沒有發生頂板大規模斷裂、垮冒。回采通過空巷后，支架工作阻力回升，但不足7 000 kN，處于正常水平。通過對現場觀測，與以往采用其他方法支護相比，工作面沒有出現片幫、冒頂和支架壓死現象，說明充填支柱設計合理，能夠對煤層頂板進行有效支撐。

5 結 論

（1） 利用FLAC3D 數值模擬軟件對工作面臨近空巷期間超前支撐應力情況進行計算，摸清回采通過空巷的應力變化規律，能夠為充填支柱參數設計提供依據。

（2） 采用相同的注漿材料，通過調整漿液配比的方法獲得不同抗壓強度的充填支柱結構，能夠在保證支撐應力的情況下確保充填支柱不會被瞬間動壓破壞，提高了充填支柱的有效性。

（3） 在對空巷采取充填支柱措施后，工作面回采通過空巷時，支架阻力未出現突然上升的情況，現場也未發生大規模片幫、冒頂和支架壓死現象，說明充填支柱法能夠對空巷進行有效支護。