西曲矿厚煤层综采面过空巷技术实践

闫腾腾

(西山煤电股份公司 西曲矿，山西 古交 030200)

受小煤矿无序开采、工作面设计方案改变等因素的影响，工作面回采过程中会遇到一些废弃的巷道，受开采活动影响，空巷顶板遭到破坏，围岩变形，严重影响着工作面安全高效生产[1-2]。目前，工作面过空巷时，空巷的控制手段主要为木垛支护、锚网索联合支护、充填支护3种。选择合理的空巷支护技术是实现工作面安全开采、提高工作面经济效益的关键。本文以西曲矿12313工作面开采技术条件为背景，分析研究空巷不同控制方式下巷道围岩变形特征，进而确定空巷控制手段，为工作面安全高效过空巷提供技术保障。

1 工程地质概况

西曲矿12313工作面位于南三盘区东北部，西北部为已回采的12314工作面，西南部为已回采的12309工作面，东南部为设计中的12312工作面，东北部为西1072运输大巷。工作面推进长度680 m，宽度220 m，采用长壁后退式全部垮落法一次采全高综合机械化采煤方法。工作面煤层厚度3.91～4.62 m，平均4.22 m，煤层倾角1～4°，平均2°，埋深约484.6 m，煤层普氏系数为1.5，属于稳定性煤层。12313工作面回采期间将穿过废弃的10122运输巷道，斜交穿过长度约260 m，如图1中所示。该废弃巷道设计为矩形断面，U型棚支护，沿煤层顶板掘进，原设计净断面为高×宽=2.4 m×4.2 m，净断面面积为10.08 m2。

2 工作面过空巷支护控制方式确定

考虑到12313工作面过废弃空巷时，工作面采动作用易造成巷道顶板破断等现象，因此，决定对该废弃空巷进行支护控制。目前常采用的过空巷方法主要是木垛支护、锚杆支护和高水材料充填支护三种过空巷方式[3-4]。

图1 12313工作面巷道布置平面

本文采用FLAC3D数值模拟软件对比分析3支护方式下，12313工作面推进至空巷过程中空巷围岩变形破坏规律，以确定选用合适的空巷支护方式。模型尺寸为X×Y×Z=500 m×280 m×100 m，采用莫尔库仑破坏准则，模型中各岩层倾角为2°，其中底板模拟厚度20 m，煤层模拟厚度4.2 m，顶板模拟厚度75.8 m；模型顶部采用应力边界约束，施加垂直应力10.12 MPa以模拟工作面埋深484.6 m，模型左右两侧、前后两侧以及底边均采取位移边界约束；模型中空巷断面形状为矩形，模拟尺寸为：高×宽=2.4 m×4.2 m，沿煤层顶板掘进；模型左右两侧和前后两侧各留设30 m宽度做为保护煤柱。每次开挖10 m，在距离空巷100m处每间隔10 m设置监测点对空巷顶底板及两帮位移量进行监测。其中，模拟3种支护方式时，木垛支护采用1.0 m×0.2 m×0.2 m方木支设，三花布置；锚杆支护采用D18.9 mm×2 200 mm的左旋螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm；充填支护设计充填体的密度为1 800 kg/m3，弹性模量为2.6 GPa，泊松比0.18，粘结力2.6 MPa。

图2为3种支护方式下工作面推进距离空巷20 m时空巷围岩塑性区分布情况。

图2 3种控制方式下空巷塑性区分布特征

由图2可知，当空巷采用木垛支护时，空巷围岩塑性区较大，显现出浅部围岩以拉张破坏为主，深部以剪切破坏为主的分布特征；当空巷采用锚杆支护时，空巷围岩塑性区范围较木垛支护时小，说明锚杆支护优于木垛支护，但当工作面割过空巷时，支架无法及时移至煤壁，增加了端面控顶距，仍存在片帮、冒顶等问题；当空巷采用充填控制时，空巷周围未出现塑性变形，空巷控制效果明显，使原来空巷掘进引起的周围应力变化降到了最低。

图3为3种支护方式下，工作面空巷的顶板下沉量、底鼓量和两帮移进量的变化曲线。

图3 3种控制方式下空巷围岩变形特征

由图3可知，空巷分别采用木垛支护、锚杆支护和充填控制时，巷道顶底板移近量分别为248.5 mm、168.2 mm和95.6 mm，两帮移近量为239.4 mm、163.4 mm和88.4 mm，空巷充填控制时巷道变形程度小，控制效果最理想，巷道得到有效控制；同时，空巷充填控制时，工作面过空巷时发生片帮和冒顶风险大大降低，可安全快速过空巷。

综上所述，选择高水材料充填空巷的方式过12313工作面空巷。

3 空巷充填控制技术

3.1 空巷充填施工方案设计

为保证12313工作面安全开采，采用空巷充填控制手段时，充填体需具备以下特点：①充填体能快速接顶；②充填体可以有较大的塑性变形而不丧失承载能力；③充填速度快，充填时间短。

现场勘探可知，空巷(10122运输巷)长度约260 m，采用分段充填方式对此空巷进行充填。以30～50 m为1段依次分段充填，充填段起止两侧打设止浆墙以防止充填浆液流动，保证空巷充填密实，其中，止浆墙由木立柱钉上木板组合施工，并伸入两侧煤帮各约200 mm。空巷分段充填布置方案如图4(a)所示。

图4 充填空巷施工示意

为保证空巷充填密实，在施工巷道内布置2～3路浆液混合管，绑定在分段巷道顶板处，如图4(b)所示。

3.2 充填系统、工艺与设备

1) 充填系统。高水充填材料分甲料、乙料两种，配比1∶1，甲料、乙料单独搅拌，混合后能快速凝固。充填系统主要包括搅拌桶、混合泵、备用泵、出浆管、混料器等，其中，搅拌桶主要用来搅拌甲料、乙料浆液，混合泵对两种浆液进行混合加压，由出浆管高压输送充填浆液至充填点[5]。如图5。

图5 注浆设备配置示意

2) 充填工艺。高水材料充填工艺如图6所示。

图6 充填工艺流程示意

充填时每个搅拌桶每加入1袋甲(乙)料，同时加入1袋乙(甲)料。注意在加料搅拌时，先加水至搅拌桶三分之二的位置，然后先加入甲(乙)料，再放入乙(甲)料，使添加剂溶解充分后，再加水至搅拌桶的上边沿，注意不能将水洒出。

3) 充填设备。充填所需设备见表1所示。

表1 充填设备

空巷(10122运输巷)充填体积约为2 800 m3，在10∶1水灰比条件下，每吨高水充填材料可充填约10 m3空间，考虑一定的损耗，需要高水充填材料约290 t。

4 工作面过空巷效果观测

在工作面推过空巷的过程中，采煤机能够顺利切割充填体，充填体具有较好的承载能力，空巷未出现片帮和冒顶现象，如图7所示。

图7 液压支架上方高水材充填体

图8 距离空巷不同距离工作面支架压力

对12313工作面支架工作阻力进行监测，如图8所示。监测结果显示，工作面推过空巷整个过程中，支架工作阻力平均约为20.3 MPa；当工作面距空巷约为3.2 m时，工作面液压支架工作阻力开始增加，最大约为21.1 MPa，增幅3.5%；当工作面经过空巷后，支架工作阻力又恢复到正常值；整个过程中，支架工作阻力变化波动程度较小，表明空巷充填控制效果较好，能够保证工作面安全推过空巷。

5 结 语

1) 模拟结果显示，当空巷采用充填控制、工作面推进至空巷时，巷道顶底板移近量为95.6 mm，两帮移近量为88.4 mm，巷道周围基本没有发生塑性破坏，是工作面过空巷支护控制最佳手段。

2) 设计了合理的空巷高水材料充填控制方案和工艺系统，在12313工作面进行了高水材料充填空巷试验，结果表明工作面采用充填过空巷控制手段时，空巷没有出现片帮、冒顶现象，工作面支架平均工作阻力在20.3 MPa左右，最大达到21.1 MPa，增加幅度仅3.5%，充填空巷控制效果较好，工作面能够快速安全通过空巷。