近距离煤层工作面充填法过空巷技术研究与应用

2020-06-10赵润峰

山东煤炭科技 2020年5期

赵润峰

（山西省晋神能源有限公司，山西忻州 036500）

在综采工作面过空巷的过程中，对空巷的支护往往采用木垛和工字钢架棚进行补强支护[1-2]，而近距离煤层工作面由于下层煤工作面顶板厚度小，且受上层工作面开采影响，顶板围岩裂隙发育，承载能力较差，在工作面过空巷的过程中采用传统补强支护方式无法满足巷道支护强度要求，容易造成工作面顶板大范围冒顶和压架[3-5]。高水充填具有支护强度高、连续性强的优点，因此，对近距离煤层工作面高水充填法过空巷技术进行研究有重要意义[6-7]。

本文以11102 综采工作面为背景，采用数值模拟的方式对近距离煤层工作面高水充填法过空巷合理充填强度进行了研究。

1 工作面概况

磁窑沟煤矿11102 工作面采高4m，埋深为177m，推进长度1044m，工作面宽179m。顶板为炭质泥岩，平均厚度为5.5m。11102 综采工作面内错于10202 综采工作面5m 布置。在距回风巷口580m 的位置有一条探水孔措施巷，该巷道沿方位角75°掘进，长度为68m。如图1 所示。

图1 11102 工作面布置图

探水孔措施巷设计巷宽3.5m，巷高4.2m，巷道支护采用顶锚杆规格为Φ18×2100mm 圆钢锚杆，间排距为1000×1000mm，每排支护4 根。锚索规格为Φ17.8×5000mm，排距为2000mm，每排支护1 根，帮部未支护。

2 工作面充填法过空巷顶板控制原理

当近距离煤层综采工作面过未补强支护的空巷时，随着工作面离空巷越来越近，工作面前方煤柱越来越窄，在超前支承应力的作用下，煤柱会逐渐破碎失去对顶板的支撑能力。此时，工作面空顶面积会变得很大，从而导致顶板提前垮落，引发顶板事故。如图2 所示。

图2 近距离煤层工作面过空巷漏顶示意图

当使用高水速凝材料提前对空巷进行充填后，充填体能够为直接顶提供足够的支撑力，有效控制顶板变形，且充填体完全充满空巷，能够保证工作面与空巷贯通后空顶面积正常，避免发生冒顶事故，确保综采工作面过空巷时的效率和安全性。

3 高水充填材料强度数值模拟研究

为了研究高水充填材料的合理强度，通过FLAC3D数值模拟软件对不同高水充填材料强度下工作面及空巷围岩的应力分布和变形规律进行研究。高水充填材料力学参数如表1 所示。模型采用库伦模型，模型尺寸为150m×50m×50m，如图3所示。

表1 高水充填材料力学参数

分别模拟综采工作面距空巷10m 时不同充填材料强度下围岩的Z 方向应力分布情况，如图3 所示。

图3 不同充填材料强度下巷道围岩应力分布

观察图3 可知，随着充填材料强度的增加，工作面前方措施巷围岩的垂直方向承载能力也逐渐增强。在空巷未进行充填的情况下，巷道顶底板支撑应力为2MPa；当充填材料强度为5MPa 时，巷道围岩支撑应力为4MPa；当充填材料强度为8MPa时，巷道顶底板和左帮围岩支撑应力达到7MPa，右帮围岩支撑应力达到4MPa；当充填材料强度为11～17MPa 时，巷道顶底板和左帮围岩支撑应力维持在7MPa 左右，右帮围岩支撑应力达由4MPa 逐渐增加至7MPa。由此可见，11102 综采工作面在对空巷进行充填支护时，应选用强度为8 MPa 的高水充填材料。

模拟得到工作面距离空巷不同距离时，充填材料强度与巷道围岩变形关系如图4 所示。

观察图4 可知，随着空巷使用的充填材料强度提高，顶板和两帮位移量逐渐减小。在充填材料强度为0～8MPa 范围变化时，顶板和两帮位移量迅速减小；在充填材料强度为8～17MPa 范围变化时，顶板和两帮位移量下降速度降低，逐渐趋于平缓。

通过数值模拟研究可知，综采工作面采用高水充填法过空巷能提供良好的支撑效果，有效控制空巷围岩变形。此外，充填材料强度越高，围岩控制效果越好。综合考虑围岩控制效果和生产成本控制，充填材料合理强度为8MPa，水灰比为2.25。