综放工作面过空巷阻燃PVC混凝土柱支护技术研究及应用

吕维赟，任卓鑫

(1.潞安化工集团，山西 长治 046000；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

随着煤炭资源的不断开采，我国许多矿井逐渐步入资源枯竭期。在长期开采过程中，由于各种原因，遗留了较多的边角煤资源。为提高煤炭采出率，延长矿井服务年限，回收边角煤资源对于资源枯竭型矿井就显得尤为重要[1-3]。边角煤资源具有赋存条件多变、过多条平行或斜交空巷、受多次开采扰动围岩裂隙较多、回收技术难度较大、成本高及安全性较差等特点[4-6]。因此，边角煤回收工作面安全、高效、经济过空巷技术是实现资源枯竭矿井精细化开采的关键[7]。

目前，边角煤工作面过空巷的方法主要有空巷支护补强、充填支护、深孔注浆加固和改进施工工艺等方法[8-11]。王刚伟[12]采用泵送充填支护技术替代了传统的“木垛+锚索”补强技术，保障了综采工作面过空巷的安全回采；张国恩等[13]根据理论分析和现场试验，设计了“锚索+泵送支护”过空巷方案，结果表明，泵送支柱是保证工作面安全通过空巷群的关键；张耀辉等[14]采用理论分析和现场工况结合的方法，针对不同空巷的赋存特性，提出了不同的充填或注浆加固方法，有效保证了工作面的安全回采；王萌[15]通过FLAC3D和现场试验研究了空巷充填前后的围岩变化规律，结果表明，高水充填方法可以有效降低空巷围岩应力，减小空巷变形。张金龙等[16]研究了工作面过斜交大断面空巷的围岩变形机理，采用不同强度充填体加强巷道支护，结果表明，充填体强度对顶板下沉量的影响不大。都海龙[17]采用水灰比为3∶1的高水材料充填过空巷，现场实践表明应用效果良好，工作面过空巷期间巷道无明显冒顶、片帮现象。基于上述研究，针对回采工作面过多条平行和斜交空巷问题，以潞安集团漳村煤矿采区保护煤柱回收为工程背景，分别通过数值模拟和现场试验的方法，研究阻燃PVC混凝土柱支护空巷围岩稳定性控制，提出了阻燃PVC混凝土柱支护安全高效过空巷技术方案。现场应用结果表明，该技术可保障工作面的安全高效回采。

1 工程概况

漳村煤矿采区煤柱回收工作面属孤岛工作面，两侧均为采空区，如图1所示，工作面过多条同层平行和斜交空巷，回采工作面过空巷情况见表1。煤岩层综合柱状图如图2所示。经研究，采区煤柱回收工作面采用PVC混凝土柱支护过空巷技术，该技术相比于柔模混凝土支护具有自承能力高、塑形好及让压变形能力强等优势；同时，泵送的混凝土支护材料不易侵入原煤，影响煤质。

图1 煤柱回收工作面采掘布置

煤柱回收综采工作面推进过程中遇平行或斜交巷道时，随着工作面向空巷不断推进，煤柱的应力集中现象将越来越明显，回采工作面过空巷基本顶破断情况如图3所示。由图3可知，煤柱主要受到来自顶板的轴向压力，由于煤柱两侧无侧向约束，导致煤柱的承载能力会大大降低，块体B对来压的判定起着至关重要的作用[18-20]。

表1 煤柱回收工作面过空巷情况

图2 煤岩层综合柱状图

图3 回采工作面过空巷基本顶破断

2 PVC混凝土柱支护过空巷数值模拟分析

2.1 模型的建立

采用FLAC3D建立数值计算模型，研究阻燃PVC混凝土柱支护过空巷效果，如图4所示。模型尺寸为258m×96m×76.4m，本构遵循莫尔-库伦准则，采用大变形模式，上覆岩层荷载为10MPa。根据工程经验，设计阻燃PVC混凝土直径为1.2m，阻燃PVC管壁厚1cm。阻燃PVC管置于空巷中间位置，内部充填C30混凝土。煤岩层和混凝土的基本力学参数见表2。

图4 阻燃PVC混凝土柱支护过空巷数值模型

表2 煤岩层和阻燃PVC混凝土柱基本力学参数

2.2 柱净距优化

阻燃PVC混凝土柱应在提供足够支护阻力的同时综合考虑其经济适用性，因此，在阻燃PVC混凝土柱支护设计过程中，需对阻燃PVC混凝土柱净距进行研究。下面分别对柱净距为1.6m、1.8m、2.0m、2.2m、2.4m、2.6m时的阻燃PVC混凝土柱最大应力进行研究。模拟得出柱净距与阻燃PVC混凝土柱应力关系曲线如图5所示。

图5 柱净距与阻燃PVC混凝土柱应力关系曲线

由图5可知，柱净距为1.6m和1.8m时，墩柱顶部垂直应力分布较小，此时阻燃PVC混凝土柱顶部位置应力小于10MPa。随着柱净距的增加，柱间顶板拉应力区逐渐增大。当柱净距为2.0m时，顶部应力增大至11.47MPa。当柱净距超过2.0m时，单根墩柱分担的覆岩重量急剧增加，巷道直接顶完整性大幅下降。当柱净距为2.2m和2.4m时，顶部应力增大至16.44MPa和24.10MPa；当柱净距为2.6m时，顶部应力增大至34.11MPa，此时已经超过C30混凝土的支撑强度。数值模拟计算结果表明：PVC混凝土柱支护后显著减小了顶板拉力区范围，随着柱净距的增大，阻燃PVC混凝土柱受到的压力呈指数函数速度增加。综合考虑安全和施工成本等因素，建议阻燃PVC混凝土柱的净距为2m。

2.3 围岩应力分析

根据数值分析结果，分析工作面距空巷距离D与煤柱(体)垂直应力σv之间的关系，如图6所示。由图6可知，随着D的不断减小，σv呈“双驼峰”状，整体呈先增大后减小趋势。当D=5m时，曲线的“双驼峰”不明显，说明此时PVC混凝土柱承担了较大上覆岩层荷载；当D=10m时，σv开始出现相对明显的“双驼峰”现象，σv达到最大值18.37MPa。当D=25m时，煤柱(体)垂直应力的双峰值均为16.46MPa。随着工作面距空巷距离D的不断增大，σv呈现的“双驼峰”现象越来越明显，且σv的峰值呈现出现缓慢减小的趋势。

图6 工作面距空巷距离与围岩垂直应力之间的关系

2.4 围岩位移分析

根据数值分析结果，分析工作面距空巷距离与空巷顶底板移近量之间的关系，如图7所示。由图7可知，PVC混凝土柱支护后，顶底板移近量显著减小。当工作面距空巷为10～25m时，顶底板移近量显著增大。阻燃PVC混凝土柱支护前，顶底板移近量最大值为427mm。阻燃PVC混凝土柱支护后，顶板应力向阻燃PVC混凝土柱转移，顶板位移显著减小，最大值为129mm，减小了70%。当D>25m或D<10m时，顶底板移近速率减缓，几乎呈水平线。因此，PVC混凝土柱支护应至少在超前距离大于25m时进行施工。数值计算结果表明，阻燃PVC混凝土柱过空巷技术可有效减小巷道变形量。

图7 工作面距空巷距离与顶底板移近量之间的关系

2.5 围岩塑性区分布特征

选取与工作面平行的巷道作为研究对象，巷道距工作面距离约为25m。阻燃PVC混凝土柱支护前后塑性区分布特征如图8所示。由图8可知，阻燃PVC混凝土柱支护后空巷围岩塑性区范围显著减小，塑性区主要分布在巷道顶部及靠近工作面一侧。其中，靠近工作面一侧塑性区范围减小较为明显，相对而言，远离工作面一侧塑性区范围虽有所降低但差别不大。说明阻燃PVC混凝土柱支护后有效减小了煤柱的塑性区范围，降低了煤柱承受的上覆岩层应力。同时，阻燃PVC混凝柱也存在一定的塑性区，主要分布在柱子中上部，表明顶板应力向阻燃PVC混凝土柱转移。这是因为相对煤体而言，PVC混凝土柱弹性模量较大，在相同变形量的前提下，其受到的顶板应力也较大。

图8 阻燃PVC混凝土柱支护前后塑性区分布特征

3 现场试验

在工程实践中，当回采工作面过同层与工作面推进方向平行的空巷时，一般情况下不需要采取加强支护措施，仅需对局部顶板压力大、破碎、淋水、大断面、片帮严重、高顶等区域采取补打锚索、木垛等支护措施。但采区保护煤柱回采工作面属于孤岛工作面，两边均为窄煤柱，为保证施工安全，在实际施工时，在平行或斜交巷道与空巷的交叉点处可根据实际情况增设PVC混凝土柱，一般再增设4根，如图9所示。

图9 阻燃PVC混凝土柱布置(mm)

当回采工作面过平行或斜交巷道时，为保证工作面的安全高效回采，根据前面的数值计算结果，布设直径为1.2m、柱净距为2m的阻燃PVC混凝土柱。以漳村煤矿采区煤柱回收工作面中的某一典型的平行巷道为研究对象，提前在空巷均匀布置7个测点，测点布置在空巷顶底板中间位置。采用GUD5矿用本安型位置传感器测量顶底板的移近量，测量数据取平均值。同时，采用传统“锚索+木垛”支护作为对比，现场试验结果如图10所示。

图10 工作面距空巷距离与顶底板移近量之间的关系

由图10可知，随着工作面向空巷的不断推进，顶底板移近量先增大后趋于稳定。当工作面距空巷距离D在10m至25m之间时，顶底板移近量显著增加，规律与FLAC3D计算结果吻合较好。与传统“锚索+木垛”支护效果相比，PVC混凝土柱的顶底板移近量较小，支护效果整体较好。究其原因，PVC混凝土柱能够提供较大的支护阻力，且混凝土弹性模量较木垛大，能够有效限制顶底板的变形。

现场试验结果表明，虽然传统的“锚索+木垛”支护措施也基本可以保证工作面的安全回采，但在实际工程应用中效果并不理想，该措施支护阻力较小，需被动压缩接顶，且在拆除、回收木垛时不仅危险而且耗时，无法保证工作面的回采速度。PVC混凝土柱支护不仅施工便捷，可采用高强纤维柔摸主动接顶，人工成本较低，而且安全高效，有望成为未来回采工作面安全高效过空巷的主要方法之一。

4 结 论

1)采用FLAC3D对阻燃PVC混凝土柱支护过空巷柱净距进行优化，综合考虑安全和施工成本等因素，柱净距为2m时较为合理。

2)通过数值模拟分析阻燃PVC混凝土柱支护过空巷的围岩应力、位移及塑性区分布特征可知，随着工作面向空巷不断推进，顶底板移近量先增大后趋于稳定，围岩垂直应力整体呈先增大后减小趋势。PVC混凝土柱支护后，围岩塑性区范围显著减小，主要分布在巷道顶部及靠近回采工作面一侧。

3)现场试验结果表明，PVC混凝土墩柱可提供较大的支护阻力，能够有效控制空巷的变形，保证回采工作面的安全高效回采。