泵送充填支護(hù)技術(shù)在綜采工作面過空巷中的應(yīng)用

楊磊

【摘 要】 為了確保采面生產(chǎn)安全，本文針對3303綜采工作面過空巷問題，提出采用泵送充填支護(hù)方法控制頂板變形，并具體確定了充填材料支撐強(qiáng)度及水灰比、充填技術(shù)方案，現(xiàn)場應(yīng)用效果顯著。研究結(jié)果表明： 1）充填材料強(qiáng)度對空巷頂板控制效果有顯著影響，3303綜采工作面過空巷時(shí)最為經(jīng)濟(jì)、合理的材料支撐強(qiáng)度為1MPa，水灰比為8∶1;2）根據(jù)采面實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了采面過空巷充填技術(shù)方案;3）現(xiàn)場應(yīng)用后，空巷頂板下沉量控制在150mm以內(nèi)，不會(huì)給采面正常推進(jìn)帶來不利影響。研究成果為礦井采面過空巷積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】 綜采工作面;空巷;高水充填材料;礦壓;支撐強(qiáng)度

【中圖分類號】 TD823 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）05-0014-03

空巷是礦井無序開采或者開采設(shè)計(jì)變更而遺留的廢棄巷道，根據(jù)空巷位置關(guān)系可分為走向、傾斜及傾向空巷?；夭晒ぷ髅嫱七M(jìn)過空巷時(shí)容易引起巷道原有支護(hù)結(jié)構(gòu)失效而出現(xiàn)坍塌問題，如何確保采面過空巷安全是礦井生產(chǎn)過程中需要解決的現(xiàn)實(shí)問題。眾多的科研學(xué)者對采面過空巷技術(shù)以及空巷圍巖控制技術(shù)展開研究，其中劉暢等采用相似模擬及現(xiàn)場實(shí)測技術(shù)手段研究了復(fù)采工作面過空巷頂板破斷特征;尹超宇等對采面與空巷間煤柱穩(wěn)定性展開研究，并對煤柱失穩(wěn)后頂板破斷位置及受力狀態(tài)進(jìn)行分析;徐青云等對空巷頂板穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行分析，并確定了維持頂板穩(wěn)定的最小支護(hù)阻力。文中就提出采用泵送充填支護(hù)方式過走向空巷，并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，以期能為類似情況下過空巷提供一定借鑒。

1 工程概況

某礦3號煤層，厚平均2.6m，傾角3～6°，埋深850m?，F(xiàn)階段礦井開采的3303綜采為3采區(qū)首個(gè)回采工作面，采面埋深平均860m，采面設(shè)計(jì)走向、傾向長度分別為1030m、160m，開采范圍內(nèi)煤層賦存較為穩(wěn)定，未探測到對回采有較大影響的地質(zhì)構(gòu)造。具體采面頂?shù)装鍘r性參數(shù)見表1。

由于礦井開采設(shè)計(jì)變更，3303綜采工作面開采期間需要揭露一條長250m且與采面平行的空巷（原3301采面回風(fēng)巷），空巷為矩形斷面（寬、高分別為4.5m、2.5m），3303采面回風(fēng)巷與空巷間距平均為35m。由于空巷廢棄時(shí)間已達(dá)到3a以上，原采用的錨網(wǎng)索支護(hù)體系部分位置結(jié)構(gòu)失效，頂板出現(xiàn)明顯破壞。具體采面與空巷位置關(guān)系見圖1所示。

2采面過空巷時(shí)空巷頂板破壞分析

空巷掘進(jìn)支護(hù)完成一段時(shí)間后，圍巖應(yīng)力重新平衡，但是在采面超前采動(dòng)壓力影響下圍巖變形破壞加速。根據(jù)以往研究成果，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐及工程類比，推演得出空巷頂板變形破壞過程，具體為：初始變形→彎曲離層→斷裂破壞→垮落破壞，具體變形過程見圖2。

具體空巷頂板變形破壞過程為漸變力學(xué)過程，巷道掘進(jìn)初期造成的圍巖初始變形難以有效控制;當(dāng)空巷頂板未出現(xiàn)離層時(shí)就應(yīng)積極采取措施避免頂板離層;若已發(fā)生離層則應(yīng)強(qiáng)化頂板巖層控制，避免頂板巖層從離層向斷裂甚至垮落破壞發(fā)展。因此，對于采面過走向空巷而言，空巷頂板巖層控制應(yīng)遵循及時(shí)支護(hù)原則，盡量減緩頂板變形破壞過程。

3現(xiàn)場應(yīng)用分析

3.1充填漿液配比確定

為了確保采面過空巷時(shí)頂板穩(wěn)定，采用充填方式提升巷道圍巖穩(wěn)定性。選用的高水充填材料抗壓強(qiáng)度可通過調(diào)整水灰比或添加外加劑調(diào)整，通過調(diào)整水灰比調(diào)節(jié)充填材料更為便捷，使用也最為廣泛。根據(jù)相關(guān)研究成果得到不同含水體積分?jǐn)?shù)下充填材料抗壓強(qiáng)度變化曲線，具體見圖3。

由于高水材料費(fèi)用較為昂貴，在滿足空巷控頂基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量提高水灰比，從而降低充填成本。在綜合分析空巷頂板控制及經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)上，提出以下4種水灰比方案（表2），并通過FLAC-3D對不同強(qiáng)度下的空巷頂板控制效果進(jìn)行分析，從而優(yōu)選出適應(yīng)礦井實(shí)際的充填材料水灰比。

具體不同充填體強(qiáng)度（水灰比）條件下的空巷頂板變形模擬情況見圖4。從圖中看出，相對于充填空巷，未充填時(shí)頂板下沉量增加顯著，空巷充填的高水材料可有效控制頂板變形。充填體強(qiáng)度由0.5MPa提升至1MPa時(shí)頂板下沉量由390mm降低至287mm;當(dāng)充填體強(qiáng)度由1MPa增加至2、3MPa時(shí)頂板下沉量分別降低至270mm、256mm，隨著強(qiáng)度增加空巷頂板支撐效果改善不明顯。

綜合分析，若不對空巷進(jìn)行充填，則空巷頂板在采動(dòng)礦壓影響下會(huì)出現(xiàn)明顯下沉，當(dāng)采面推進(jìn)至空巷位置時(shí)不僅會(huì)增加采面推進(jìn)難度而且在架前空巷頂板極其容易出現(xiàn)冒落，因此，為了確保采面生產(chǎn)安全必須對空巷進(jìn)行充填。充填體強(qiáng)度1MPa、2MPa、3MPa時(shí)，充填體對空巷頂板控制效果均較為明顯，頂板下沉量均在290mm以內(nèi)。為了降低空巷充填成本，綜合空巷底板充填頂板控制效果，最終確定充填材料強(qiáng)度為1MPa，對應(yīng)的水灰比為8∶1。

3.2充填技術(shù)方案

將空巷分割個(gè)10個(gè)區(qū)段（每個(gè)區(qū)段25m）并從巷端依次向巷尾充填，具體充填技術(shù)方案見圖5。在空巷端頭位置采用充填帶（寬×高×厚=2.6m×4.8m×3m）構(gòu)建密封墻;待密封墻固結(jié)密實(shí)后，先采用密集單體對空巷頂板進(jìn)行支護(hù)，并在外側(cè)密封墻上布置充填孔進(jìn)行充填;依次從空巷端頭充填至空巷尾。

4效果分析

對采面空巷位置及空巷旁兩臺(tái)液壓支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測，通過分析支架工作阻力變化情況來分析空巷充填效果。整個(gè)監(jiān)測過程分三個(gè)階段，第一階段為采面距空巷前40m至采面推進(jìn)過空巷30m;第二階段為采面推進(jìn)過空巷100～160m;第三階段為采面推進(jìn)過空巷200m至出空巷。具體各階段液壓支架工作阻力變化監(jiān)測情況見圖6。

在采面進(jìn)入到空巷前在超前采動(dòng)支承壓力影響下空巷頂板與充填體間空隙被逐漸壓實(shí);隨后充填體在頂板壓力作用下與頂板一起呈現(xiàn)小范圍變形，但是頂板下沉量始終較小。在整個(gè)監(jiān)測期間液壓支架工作阻力變化均在150kN以內(nèi)，空巷頂板下沉量均在150mm以內(nèi)，對采面正?；夭蓭缀醪辉斐捎绊?，表明通過空巷充填可實(shí)現(xiàn)采面安全、平穩(wěn)過空巷。

5總結(jié)

文章對采面過空巷期間空巷頂板破壞過程進(jìn)行了時(shí)空演化分析，提出通過及時(shí)支護(hù)來降低空巷頂板變形對采面生產(chǎn)影響，并采用充填方式對空巷頂板進(jìn)行處理。

為了降低空巷充填成本，對不同強(qiáng)度（水灰比）下空巷頂板變形情況進(jìn)行分析，最終確定充填體強(qiáng)度為1MPa，水灰比為8∶1時(shí)，可確保采面過空巷安全，并詳細(xì)闡述了采面過空巷技術(shù)方案。

充填技術(shù)方案現(xiàn)場應(yīng)用后，液壓支架工作阻力變化在150kN以內(nèi)，空巷頂板平均下沉量在150mm，空巷幾乎不會(huì)對采面正常生產(chǎn)帶來影響。

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