霍尔辛赫煤业工作面过空巷加固技术研究与应用

王云霄

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046600）

1 工程概况

山西霍尔辛赫煤业有限责任公司主采3#煤层，煤层厚度4.89～6.32m，均厚5.65m，煤层平均埋深549m，采用综采一次采全高回采工艺。即将回采的3601 工作面倾斜长度191m，推进长度1546m，在推进至770m 处需过3603 综采工作面回风措施巷空巷，推进至800m 处需过3603 综采工作面运输顺槽措施巷空巷。3603 回风措施巷与3603 运输顺槽措施巷两条空巷巷道属全煤巷，沿巷道顶板掘进，巷道断面为矩形，巷道长191m，宽4.6m，高3.1m。3601 工作面空巷原有支护方式为锚网索梁联合支护，3601 工作面回采期间面临过平行空巷的问题，过空巷期间如果处理不当将存在压架、工作面煤壁片帮、回采巷道变形严重等问题。

2 工作面过空巷顶板稳定性分析

工作面正常回采期间，其基本顶需重复经历破断、回转下沉、稳定等阶段，假设工作面过空巷期间，其基本顶破断过程如图1（a）所示。随着采煤工作面和空巷间煤柱宽度的减小，当煤柱内的压力达到其承载的极限时，煤柱在较短的时间内失去其支承能力，基本顶悬露长度增大，达到或超出其极限断裂步距，在煤柱上方或空巷上方断裂，形成岩块A、B、C。岩块C 基本已经压实稳定，岩块A 未破断，工作面的回采、推进伴随着岩块B 的破断、回转下沉，若岩块B 发生滑落和转动失稳，将引起空巷及工作面顶板急剧下沉，矿山压力显现剧烈。因此，为实现工作面安全过空巷，基本条件是空巷内支护结构和工作面给予岩块B 足够的支撑力，防止岩块B 发生滑落或转动失稳。

根据工作面过空巷期间其基本顶的破坏、运移特征，岩块B 对于工作面是否能够安全过空巷异常关键，对岩块B 的受力状态进行简化：岩块B 与岩块A、C 之间为铰接接触，岩块B 长度为工作面基本顶周期断裂步距，工作面液压支架和空巷内支护体系直接给予岩块B 支撑力。因此空巷基本顶的受力特征可以简化为如图1（b）所示。为防止岩块B 滑落或转动失稳，岩块B 的受力需满足TAtanφ ≥QA，其中tanφ 为岩块间的摩擦因数，取0.2；TA、QA、TB、QB分别表示岩块B 与岩块A、C 之间的水平力和剪切力。

图 1 工作面过空巷顶板垮落模型

为防止岩块B 失稳须满足公式[1]：

式中：

TA/a-接触面上的平均挤压应力，MPa；

η-因岩块在转角处的特殊受力条件而取的系数，取 0.3；

a-岩块B 与岩块A、C 的接触高度，为0.2m；

σc-岩块的抗压强度，取60MPa。

将以上参数带入式（1） 计算可得TA≤3.6MPa，根据受力极限平衡原理可得岩块B受力需满足以下计算公式[2]：

式中：

l-岩块B 长度，即周期来压步距，m；

q-岩块B 及其上部软弱岩层单位长度的自重，MN/m；

q0-直接顶单位长度自重，MN/m；

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

b、d-空巷和工作面支护控顶宽度，m。

根据现场实际情况，将3601 工作面详细的参数带入式（2），计算可得空巷支护阻力P1与空巷宽度b、工作面液架支护阻力P2之间的关系分别如图2 所示。根据图2（a）所示结果可知，空巷所需支护强度基本上与空巷宽度呈线性关系，随着空巷宽度的增大，所需的支护阻力也不断增大。工作面正常回采条件下，液压支架工作阻力应为4200kN，当空巷宽度为4.6m 时，液压支架工作阻力需不小于8500kN，而3601 工作面现有液压支架额定工作阻力为5200kN，显然支护强度无法满足过空巷的要求。图2（b）所示结果为空巷支护阻力P1与工作面液架支护阻力P2之间的关系。工作面液压支架工作阻力为5200kN 时，空巷内需提供3300kN 的支护阻力，因此，为了保证工作面安全顺利通过空巷区域，应做好空巷加固工作，支护阻力应达到3300kN 以上。

图 2 理论计算结果示意图

3 工作面过空巷期间加固

3.1 空巷支护

根据上文分析结果可知，3601 工作面过空巷期间仅依靠液压支架的支撑，无法确保工作面的安全，需要采取适当的加固措施，提高空巷对于顶板的支护阻力。参考类似开采技术条件下成功应用的实例[3-4]，设计采取在空巷内补打木垛和构建十字砌块墙的加固措施，如图3 所示。在3601 工作面两个空巷内每间隔10m 布置两个木垛和一个十字砌块墙，木垛和十字砌块墙间距为3 ～5m。十字砌块墙主墙沿空巷长度方向，尺寸（长×宽×高）为=2.5×1.5×3.1m，十字砌块墙辅助墙沿工作面推进方向，尺寸（长×宽×高）为=1.2×0.9×3.1m。每个砌块墙由一个主墙和两个辅助墙组成，混凝土砌块抗压强度为25MPa。工作面过空巷期间，采煤机直接将十字砌块墙截割、运出，能够减少回收工作及其不安全因素，加快工作面过空巷推进。空巷和回采巷道交叉点在全锚网支护的基础上，加大锚索密度，并根据现场具体情况打设连锁木垛。

图 3 空巷加固支护示意图

3.2 超前支护

为保证3601 工作面过空巷期间回采巷道的稳定性，运输巷超前45m架设单体柱π型梁棚支护（单体柱高度3.15m，π 型梁高度4.0m 或4.3m），棚距0.6m，转载机里侧一梁三柱，转载机外侧一梁二柱。回风巷内超前45m 架设一梁三柱工字钢棚支护（单体柱高度3.15m、工字钢长3.5m），棚距0.8m。

4 应用效果监测

4.1 液压支架工作阻力

工作面回采期间，定期记录液压支架的工作阻力。根据工作面过空巷期间支架工作阻力的监测结果，分析总结支架阻力具有以下特点：（1）中部支架的工作阻力比下部和上部要大，周期来压期间中部支架的平均工作阻力为4894kN，而下部、上部的支架平均工作阻力为4235kN、4145kN；（2）周期来压动载系数波动正常，下部、中部、上部的平均动载系数分别为1.24、1.29、1.25，平均为1.26；（3）工作面过空巷期间，未出现支架工作阻力超限的现象，支架能够满足工作面周期来压期间支撑顶板的要求，工作面成功安全地通过空巷区域。

4.2 巷道表面变形量

图 4 巷道表面位移变化规律

根据图4 所示结果可以看出，在距工作面煤壁90～100m 处巷道开始变形，变形速度缓慢，与工作面距离在70m 范围内时，巷道变形速度明显增大，直至工作面回采至测点处，运输巷顶底板、两帮移近量维持在450mm 以下，回风巷顶底板、两帮相对移近量均在500mm 以下，能够满足工作面正常安全生产的要求。

4.3 工作面片帮

现场监测工作面正常回采期间和过空巷期间煤壁的片帮程度，监测结果详见表1。过空巷期间煤壁片帮范围在25%～30%左右，片帮深度0.5m 左右，片帮长度2m 左右。正常回采期间片帮现象较来压期间要缓和许多，煤壁片帮范围小于10%，片帮深度小于0.3m，片帮长度小于1.5m。整体而言，空巷影响下煤壁的片帮量略有增大，观测期间，工作面片帮现象时有发生，但不会影响工作面正常回采。

表 1 工作面片帮统计表

5 结论

为确保3601 工作面能够安全顺利地通过空巷，设计采用“打木垛和构建十字砌块墙”的方式加固空巷，对局部冒顶严重的空巷采取砌墙注高水材料充填的加固措施。实际过空巷期间，对液压支架的工作阻力、回采巷道的变形量及煤壁片帮进行监测。结果表明，所设计的加固措施很好地确保了工作面安全顺利的推过空巷。