泵送充填支护技术在综采工作面过空巷中的应用

杨磊

【摘 要】 为了确保采面生产安全，本文针对3303综采工作面过空巷问题，提出采用泵送充填支护方法控制顶板变形，并具体确定了充填材料支撑强度及水灰比、充填技术方案，现场应用效果显著。研究结果表明： 1）充填材料强度对空巷顶板控制效果有显著影响，3303综采工作面过空巷时最为经济、合理的材料支撑强度为1MPa，水灰比为8∶1;2）根据采面实际情况，设计了采面过空巷充填技术方案;3）现场应用后，空巷顶板下沉量控制在150mm以内，不会给采面正常推进带来不利影响。研究成果为矿井采面过空巷积累了宝贵经验。

【关键词】 综采工作面;空巷;高水充填材料;矿压;支撑强度

【中图分类号】 TD823 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）05-0014-03

空巷是矿井无序开采或者开采设计变更而遗留的废弃巷道，根据空巷位置关系可分为走向、倾斜及倾向空巷。回采工作面推进过空巷时容易引起巷道原有支护结构失效而出现坍塌问题，如何确保采面过空巷安全是矿井生产过程中需要解决的现实问题。众多的科研学者对采面过空巷技术以及空巷围岩控制技术展开研究，其中刘畅等采用相似模拟及现场实测技术手段研究了复采工作面过空巷顶板破断特征;尹超宇等对采面与空巷间煤柱稳定性展开研究，并对煤柱失稳后顶板破断位置及受力状态进行分析;徐青云等对空巷顶板稳定机理进行分析，并确定了维持顶板稳定的最小支护阻力。文中就提出采用泵送充填支护方式过走向空巷，并进行现场应用，以期能为类似情况下过空巷提供一定借鉴。

1 工程概况

某矿3号煤层，厚平均2.6m，倾角3～6°，埋深850m。现阶段矿井开采的3303综采为3采区首个回采工作面，采面埋深平均860m，采面设计走向、倾向长度分别为1030m、160m，开采范围内煤层赋存较为稳定，未探测到对回采有较大影响的地质构造。具体采面顶底板岩性参数见表1。

由于矿井开采设计变更，3303综采工作面开采期间需要揭露一条长250m且与采面平行的空巷（原3301采面回风巷），空巷为矩形断面（宽、高分别为4.5m、2.5m），3303采面回风巷与空巷间距平均为35m。由于空巷废弃时间已达到3a以上，原采用的锚网索支护体系部分位置结构失效，顶板出现明显破坏。具体采面与空巷位置关系见图1所示。

2采面过空巷时空巷顶板破坏分析

空巷掘进支护完成一段时间后，围岩应力重新平衡，但是在采面超前采动压力影响下围岩变形破坏加速。根据以往研究成果，并结合现场实践及工程类比，推演得出空巷顶板变形破坏过程，具体为：初始变形→弯曲离层→断裂破坏→垮落破坏，具体变形过程见图2。

具体空巷顶板变形破坏过程为渐变力学过程，巷道掘进初期造成的围岩初始变形难以有效控制;当空巷顶板未出现离层时就应积极采取措施避免顶板离层;若已发生离层则应强化顶板岩层控制，避免顶板岩层从离层向断裂甚至垮落破坏发展。因此，对于采面过走向空巷而言，空巷顶板岩层控制应遵循及时支护原则，尽量减缓顶板变形破坏过程。

3现场应用分析

3.1充填浆液配比确定

为了确保采面过空巷时顶板稳定，采用充填方式提升巷道围岩稳定性。选用的高水充填材料抗压强度可通过调整水灰比或添加外加剂调整，通过调整水灰比调节充填材料更为便捷，使用也最为广泛。根据相关研究成果得到不同含水体积分数下充填材料抗压强度变化曲线，具体见图3。

由于高水材料费用较为昂贵，在满足空巷控顶基础上，应尽量提高水灰比，从而降低充填成本。在综合分析空巷顶板控制及经济性基础上，提出以下4种水灰比方案（表2），并通过FLAC-3D对不同强度下的空巷顶板控制效果进行分析，从而优选出适应矿井实际的充填材料水灰比。

具体不同充填体强度（水灰比）条件下的空巷顶板变形模拟情况见图4。从图中看出，相对于充填空巷，未充填时顶板下沉量增加显著，空巷充填的高水材料可有效控制顶板变形。充填体强度由0.5MPa提升至1MPa时顶板下沉量由390mm降低至287mm;当充填体强度由1MPa增加至2、3MPa时顶板下沉量分别降低至270mm、256mm，随着强度增加空巷顶板支撑效果改善不明显。

综合分析，若不对空巷进行充填，则空巷顶板在采动矿压影响下会出现明显下沉，当采面推进至空巷位置时不仅会增加采面推进难度而且在架前空巷頂板极其容易出现冒落，因此，为了确保采面生产安全必须对空巷进行充填。充填体强度1MPa、2MPa、3MPa时，充填体对空巷顶板控制效果均较为明显，顶板下沉量均在290mm以内。为了降低空巷充填成本，综合空巷底板充填顶板控制效果，最终确定充填材料强度为1MPa，对应的水灰比为8∶1。

3.2充填技术方案

将空巷分割个10个区段（每个区段25m）并从巷端依次向巷尾充填，具体充填技术方案见图5。在空巷端头位置采用充填带（宽×高×厚=2.6m×4.8m×3m）构建密封墙;待密封墙固结密实后，先采用密集单体对空巷顶板进行支护，并在外侧密封墙上布置充填孔进行充填;依次从空巷端头充填至空巷尾。

4效果分析

对采面空巷位置及空巷旁两台液压支架工作阻力进行监测，通过分析支架工作阻力变化情况来分析空巷充填效果。整个监测过程分三个阶段，第一阶段为采面距空巷前40m至采面推进过空巷30m;第二阶段为采面推进过空巷100～160m;第三阶段为采面推进过空巷200m至出空巷。具体各阶段液压支架工作阻力变化监测情况见图6。

在采面进入到空巷前在超前采动支承压力影响下空巷顶板与充填体间空隙被逐渐压实;随后充填体在顶板压力作用下与顶板一起呈现小范围变形，但是顶板下沉量始终较小。在整个监测期间液压支架工作阻力变化均在150kN以内，空巷顶板下沉量均在150mm以内，对采面正常回采几乎不造成影响，表明通过空巷充填可实现采面安全、平稳过空巷。

5总结

文章对采面过空巷期间空巷顶板破坏过程进行了时空演化分析，提出通过及时支护来降低空巷顶板变形对采面生产影响，并采用充填方式对空巷顶板进行处理。

为了降低空巷充填成本，对不同强度（水灰比）下空巷顶板变形情况进行分析，最终确定充填体强度为1MPa，水灰比为8∶1时，可确保采面过空巷安全，并详细阐述了采面过空巷技术方案。

充填技术方案现场应用后，液压支架工作阻力变化在150kN以内，空巷顶板平均下沉量在150mm，空巷几乎不会对采面正常生产带来影响。

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