10-102综采工作面过空巷控制技术研究

任文奎

（山西焦煤集团霍州煤电集团安全监察局，山西 霍州 031400）

1 工程概况

霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿正在回采10-102工作面位于一采区准备巷道左翼，上部为9-104、106采空区，西面为10-106采空区，东面及南面为实体煤。该工作面所采10#煤层的平均厚度为2.95m，煤层中部夹有3层厚度约0.2m的碳质泥岩，煤层厚度变化较小，属稳定煤层。直接顶为平均厚度1.1m的泥岩，基本顶为平均厚度1.4m的砂质泥岩，直接底为平均厚度0.8m的泥岩，基本底为平均厚度2.84m的泥岩。10-102工作面在回采过程中会穿过皮带巷和轨道巷，如图1所示。轨道巷沿煤层底板掘进，设计断面为3.8×2.8m，采用锚网索联合支护。当10-102工作面回采至空巷附近时，由于超前支承压力过大，可能会导致空巷的顶板垮落，影响工作面的安全生产。

图1 10-102工作面过空巷示意图

2 工作面过空巷围岩变形破坏分析

2.1 模型的建立

根据木瓜煤矿10-102工作面上覆岩层的物理力学参数，借鉴类似综采工作面过空巷的经验[1-2]，通过UDEC软件建立10-102工作面过空巷模型，研究10-102综采工作面过空巷时空巷的围岩变形和塑性区的变化情况。所建数值模型计算选用Mohr-Coulomb模型，所建模型长300m，高60m，其中10-102工作面所过空巷宽3.8m，高2.8m。整个数值模拟经过了6个步骤，依次为模型建立、原岩应力平衡、开挖空巷、空巷支护、10-102工作面回采及计算平衡并分析。

2.2 工作面推进方案

数值模拟中10-102工作面分5个阶段向空巷方向推进。第一阶段，10-102工作面回采至距空巷25m处；第二阶段，10-102工作面回采至距空巷20m处；第三阶段，10-102工作面回采至距空巷15m处；第四阶段，10-102工作面回采至距空巷13m处；第五阶段，10-102工作面回采至距空巷10m处。

2.3 数值模拟结果分析

图2 工作面回采过程中空巷围岩变形特征

如图2为10-102工作面回采过程中空巷的围岩变形特征。观察图2（a）、（b）、（c）可发现：工作面从距空巷25m处回采至距空巷15m时，空巷的顶板及两帮基本上没有发生形变，并且煤柱侧没有出现明显的塑性破坏区域。观察图2（c）、（d）发现：工作面从距空巷15m处推进至距空巷13m的过程中，空巷的两帮及顶板开始发生形变，顶板的塑性破坏高度达到约4m，工作面回采对空巷造成的影响开始显现。观察图2（d）、（e）发现：工作面从距空巷13m处推进至距空巷10m的过程中，在围岩形变量继续增大的基础上，空巷煤柱侧的形变量明显大于实体煤侧的形变量，这是由于回采工作面的采动影响对煤柱侧和实体煤侧的影响不同所致，煤柱侧的塑性破坏深度由1.5m增加至3m左右，空巷进入回采剧烈影响期。观察图2（e）发现：工作面推进至距空巷10m处时，空巷的两帮移近量和顶底板移近量均会超过巷道允许的形变量范围，并且煤柱侧全部处于塑性破坏状态，最终巷道可能会发生垮塌，工作面过空巷的危险系数极高。即使巷道不发生垮塌，也会由于围岩变形量过大，导致巷道断面严重缩小，影响行人及通风，并且工作面在过空巷的过程中，由于工作面前端顶板持续下降，可能会造成支护设备及液压支架的损坏，这些因素都容易造成事故的发生。

随着工作面与空巷距离的不断缩小，煤柱侧将全部处于塑性破坏状态，最终巷道可能会发生垮塌，工作面过空巷的危险系数极高。因此为了保证10-102综采工作面安全顺利地通过空巷，需要对空巷采取必要的补强支护措施。

3 过空巷技术及效果

3.1 高水材料空巷充填技术

高水材料空巷充填技术[3]是指在空巷内充填凝固强度高、流动性较好的高水材料，利用充填体具有的承载能力保持顶板和其自身的完整，支撑基本顶并传递支架的支护阻力，在工作面过空巷时综采机割下充填体以达到安全过空巷的目的。高水材料充填体具有良好的塑性变形特征，经过实验发现，充填体的应变达到10%左右时，变形后的充填体仍能保持峰值抗压强度的50%以上。与一般的水泥类材料相比，高水材料的优点突出表现在其较短的凝结时间，凝结早期强度高，可以通过改变水灰比和添加剂得到不同强度的凝结体来适应不同的工况，高水灰比条件下的结实率为100%，单位充填体积内的高水材料用量较少，便于施工。因此，可以通过在空巷内充填高水材料来控制围岩变形，防止工作面过空巷时发生冒顶、垮塌等事故。

借鉴类似工况下的作业经验，本次选取水灰比为2.25:1，高水材料在高水灰比的条件下，会由于水化反应生成大量的钙矾石，钙矾石的结晶水分子容积高达81.16%，根据实验得到，在该水灰比条件下，24h后材料的三轴抗压强度达到了3MPa。

3.2 空巷充填施工方案

为了保证空巷注浆充填[4]的效果优良，需要在较短的时间内使浆液充满整个待充填孔间，使高水材料充填体在凝结初期就有良好的接顶效果，因此要选择合适的注浆作业设备并对施工人员进行作业培训。本次注浆选用2ZBYSB型双液注浆泵，连接两条直径为32mm的高压管路进行浆液的输送，通过三通在充填点混合并进行充填。10-102综采工作面所过空巷长度约220m，在进行空巷充填作业时，以巷道底板为标高，每8m划分一段，自南向北依次充填。为了防止注浆过程中浆液流出充填段，需要在充填段起止两侧装设止浆墙来保证该充填段的充填效果。止浆墙以木立柱为骨架，在其两侧钉上厚度为15mm的木板，并在木板表面衬一层风筒布以达到止浆的效果。止浆墙装设完成后，在充填段布设充填管路进行注浆作业，完成本充填段的注浆作业后，依次进行下一充填段的注浆作业。如图3为空巷分段充填示意图。

图3 空巷分段充填示意图

3.3 工作面过空巷效果分析

为了检验空巷的充填效果，在沿工作面长度方向上采用YHY-604型液压支架测力仪布置上、中、下三条液压支架测线，来监测10-102工作面压力的变化情况。工作面在揭露空巷、过空巷和通过空巷后的支架受力是不同的，将3条测线所得数据进行均值处理，绘制得到10-102工作面过空巷液压支架平均压力变化曲线，如图4所示。

图4 10-102工作面过空巷液压支架平均压力变化曲线

观察图4发现，10-102工作面距空巷的距离大于40m时，工作面液压支架的平均阻力约29.4MPa，工作面支架阻力大小和空巷并没有直接联系；工作面由距空巷40m的距离推进至距空巷20m的距离的过程中，工作面液压支架的最大平均阻力为29.6MPa，增幅不明显；工作面由距空巷20m的距离推进至空巷的过程中，可以明显观察到工作面液压支架的平均阻力迅速上升至30.5MPa，但是较支架正常工作阻力仅增加了3.6%，并且工作面过空巷时没有发生支架安全阀开启的现象；待工作面通过空巷后，工作面支架阻力恢复至正常值。

综上，高水材料空巷充填技术在木瓜煤矿的现场应用效果较好。10-102工作面通过空巷时，工作面液压支架的平均阻力较支架正常工作阻力仅增加了3.6%，能够保证10-102工作面安全的通过空巷。

4 结论

通过UDEC软件建立10-102工作面过空巷模型，研究10-102综采工作面过空巷时空巷的围岩变形和塑性区的变化情况。发现随着工作面与空巷距离的不断减小，空巷的围岩变形量和塑性区范围不断增大，围岩塑性区达到4m左右，最终会导致空巷发生垮塌，需要采取措施避免空巷影响工作面的正常掘进。在现场应用高水材料空巷充填技术后，工作面通过空巷期间工作面液压支架的平均阻力仅增加了3.6%，并且没有发生安全阀开启的现象，能够保证10-102工作面安全的通过空巷。