赵亚帆

（霍州煤电集团晋北煤业公司 山西静乐 035100）

关键字：工作面过空巷；充填作业；工作面调斜

0 引言

在煤炭开采过程中，工作面过空巷时的巷道破坏变形一直是开采难题。空巷一般为矿井废弃的工作巷或者已经开采过的采区巷道。当前工作面在推进的过程中，在过空巷时往往因为超前支承压力导致顶板受力复杂，顶板岩层在复杂受力条件下，发生剪切、拉伸等破坏形态，随着工作面的不断推进，支架不能起到支撑作用后，顶板出现大面积的垮落，造成工作面推进的延迟，从而影响生产的进行[1-3]。晋北煤业5-103 工作面在过空巷时，矿井的加强支护并没有起到良好的控制效果，通过充填作业，支架受力减小，围岩稳定，为安全生产提供了便利。

1 5-103工作面概况

晋北煤业5-103工作面采用倾向长壁一次性采全高的采煤方法，后退式开采，工作面走向长度为180 m，倾向长度为660 m。工作面煤（岩）层赋存相对稳定，区域内断裂构造不发育。5上#煤层厚度为3.3 m～6.9 m，平均为5.1 m。工作面煤层为V 型向斜构造，中间低两边高，煤层走向为N 343°S，倾向为EN253°，煤层倾角为5°～17°。

巷道的布置上，切巷沿着煤层走向布置，正巷和副巷沿着煤层的倾向布置，目前已勘探的煤炭储量达到85 万t。在工作面巷道主要采用ZY11000/24.5/50 型两柱支撑掩护式液压支架对顶板进行支护作用，支架宽度为1 680 mm，可以支撑高度范围2 450 mm～5 000 mm，长度4 420 mm 的岩体，支架的工作阻力范围为1.18 MPa～1.24 MPa，工作阻力最大可达到11 000 kN。

在工作面推进的过程中，遇到空巷所以巷道需要加强支护。当工作面推进至460 m 左右的位置，工作面经过空巷，为了保证巷道的稳定性，对跨采空巷集中皮带巷跨采段采用木垛支护加强支护，对于采区进风巷道而言，采用锚索配合拱形托板施工点锚索，每隔1.6 m进行打孔充填树脂锚固剂，保证固锚索外露长度为150 mm～250 mm，锚索张拉力不小于150 kN。

2 5-103工作面围岩变形机理分析

在已有的支护条件下，工作面过空巷时巷道变形依旧严重，主要变现为以下三个方面：

(1)当工作面推进至距离正巷19 m、副巷49 m的位置时，工作面顶板受到采动影响，导致受力集中，顶板破碎严重，威胁到工人的生命安全；

(2)当工作面过空巷时，巷道液压支架阻力增加明显，正巷内液压支架的最大阻力值为42 MPa，空巷内液压支架阻力虽然较小，也达到了28 MPa。无论是正巷还是副巷，巷道矿压现象明显，巷道受力变形较大，影响到矿井的安全生产。

(3)采区间的联络巷变形较大，在工作面过空巷的过程中，联络巷的液压枕值出现陡增现象，巷道有明显的变形，距离工作面较远的联络巷的受力稳定，基本无变形。

为了深入了解工作面过空巷时巷道围岩的破坏机理，对巷道受力进行分析，传统力学观点认为，在工作面过空巷时，空巷上部的岩体会形成压力拱形状的特殊结构，按照砌体梁假说进行围岩力学模型的建立，空巷顶部受到的载荷视为均布载荷，工作面过空巷力学模型简图如图1所示。

图1 工作面过空巷力学模型简图

图中，上覆岩块A 与岩块B 之间的水平作用力为TA，单位MPa；上覆岩块A与岩块B之间的垂直作用力为QA，单位MPa；上覆岩块B 与岩块C 之间的水平作用力为TC，单位MPa；上覆岩块B与岩块C之间的垂直作用力为QC，单位MPa；空巷的宽度为m，单位m；空巷的支护阻力为σm, 单位MPa；预留煤柱宽度为w，单位m；煤柱的强度为σw,单位MPa；支架的工作阻力为σn,单位MPa；控顶距为n，单位m。

一旦空巷出现断裂状态，则其处于三维受力状态，受力模型如图2所示。

图2 岩块B三维受力特征模型图

图中，岩块B 所受的垂直应力为Fd，MPa；直接顶对基本顶的作用力为Fv, MPa；基本顶的重力为Fg,MPa；基本顶的长度为L，m。

对岩块B进行力矩分析：

基本顶的断裂长度计算公式如下：

岩块间接触力学公式如下：

根据公式(1)、(2)、(3)得到支护阻力计算公式：

取s=120 m（空巷长度为120 m，不取工作面实际工作长度）；α=13.5°；M=4.7 m；a=6.5 m；R0=6 MPa；h=18.92 m；hz=3.82 m；q=0.94 MPa；H0=350 m；m=4.4 m；n=3.75 m；γ=0.025 MN/m3；tanφ=0.2；KG=5 MPa/m ；KC=1 000 MPa/m；Kd=1.5；σl=80 MPa。根据公式(1)、(2)、(3)求出空巷的支护阻力σm为 3.65 MPa，因此，进行充填作业时需要保证充填体的支护强度大于3.65 MPa。

3 工业充填作业

经过上述计算，得到充填体的支护强度必须大于3.65 MPa 才可以满足矿井的安全生产需要。为此，以晋北煤业5-103工作面为研究背景，进行工业施工。

从已有经验来看，充填材料的选择是关键，不同的水灰比下，浆液的凝固时间有差异，得到的胶结充填体的强度有差别，为此进行了大量实验，得到表1所示的不同水灰比下的材料性能。

从表1可以看出，不同水灰比下，得到的材料的抗压强度都大于3.65 MPa，都满足充填强度，虽然凝固时间差异大，但是根据工作面的实际情况来看，凝固时间都较短，可以忽略。不同的是，不同水灰比下水的用量以及高水材料的用量都有差异，综合对比材料成本，水灰比为4.1是最经济合理的，也满足充填强度。

当工作面过空巷时，通过工作面的调斜方案，可以有效降低液压支架的承载能力，图3 为5-103 工作面过空巷工作面调斜示意图。

表1 不同水灰比下材料性能比较

图3 过空巷工作面调斜示意图

图4 液压支架工作阻力记录图

工作面调斜的角度值θ 根据空巷的尺寸决定，空巷宽为4.4 m，长为120 m，因此理论计算值θ为2.1°，在实际工作中，保证调斜角度大于θ的理论计算值即可，现场实际中，调斜角度为3°，满足条件。经过调斜后，对工作面过空巷时工作面支架的工作阻力进行观测记录，得到图4所示的结果，从对15#和45#支架的记录可得，工作面过空巷时支架的阻力虽有波动，但是都在支架工作阻力范围内，且在工作面推进的过程中，充填体并无明显的横向变形，证明了充填方案的正确性。

通过充填作业以及工作面调斜方案，观测工作面过空巷时的液压支架阻力以及巷道的变形情况。从实际生产来看，当工作面过空巷时，工作面的液压支架阻力虽然也有波动，但是波动范围在50 kN以内，并不会影响生产的进行。观察巷道围岩的变形，工作面过空巷时，巷道并没有明显的变形，相较之前的加强支护措施，有了明显的改善，为工作面顺利推进提供了方便。

4 结语

晋北煤业5-103 工作面过空巷时，矿井采用加强支护方案，发现巷道围岩的受力变形明显，严重影响到生产的进行，为此，对其进行了工作面围岩变形机理分析，得到充填体的支护强度大于3.65 MPa 时才能满足生产要求，通过现场充填作业以及工作面调斜方案对5-103 工作面过空巷进行了改进措施，改进后的巷道围岩变形得到很好的控制，生产效率也得到提高。