马晋元

（山西晋煤集团寺河矿，山西 晋城 048000）

由于过去在煤炭开采过程中工作面设计不合理、开挖探巷等原因，使得现有工作面在推进过程中遇到大量的空巷[1-2]。空巷年久失修，围岩承载能力差，尤其在大采高工作面通过空巷时，顶板活动剧烈，使得空巷顶板下沉、冒落严重，常常会造成支架倒架和压架事故，影响工作面安全回采[3]。目前晋煤集团寺河矿5301 大采高工作面在推进过程中遇到多条空巷，采用打木垛、煤壁超前注浆加固等支护方式已不能控制空巷严重变形，威胁工作面安全回采。对比采用改变工作面布置、加强老巷支护等传统方式，充填支柱具备初撑能力大、操作简便、泵送能力强以及便于采煤机回采的特点，能够适用于空巷来压快、来压剧烈等支护需求，从而提高工作面过空巷的效率和安全性[4-5]。本文以寺河矿大采高工作面过空巷为工程背景，对大采高工作面充填支柱支护空巷技术展开研究，为相似工程提供参考依据。

1 工程概况

寺河矿5301 工作面为一次采全高综采工作面，煤层平均厚度6.0 m，倾角2～8°，工作面倾斜长度296.3 m，推进长度1 549.5 m。煤层地面标高+550～+710 m，煤层底板标高+280～+345 m。基本顶为6 m 厚的细粒砂岩，直接顶为3.5 m 厚的粉砂岩，伪顶为0.6 m 厚的炭质泥岩。5301 工作面在回采过程中需要通过四条空巷，具体空巷位置及工作面布置如图1 所示。其中，5#和8#横川空巷平行于工作面倾向，长度约为40 m；6#横川空巷与工作面倾向夹角约45°，长度约49 m；另一条空巷53017巷垂直于工作面倾向，长度约为194 m。

图1 空巷位置及工作面布置

2 空巷应力演化规律及支柱参数设计

在大采高工作面推进过程中，由于受超前支承压力的影响，在空巷与工作面接近区域应力升高，造成空巷围岩变形、破坏，在工作面过空巷时发生冒顶、煤壁片帮。因此，应研究工作面在推进过程中超前支承压力影响下，空巷的应力变化规律，为空巷充填支柱支护参数设计、支柱时机等提供理论依据。

2.1 空巷应力演化规律

采用FLAC3D数值模拟软件模拟工作面在逐渐揭露空巷过程中超前支承压力分布影响范围，得出空巷受工作面推进影响下的应力分布规律。数值模拟得出从距离空巷100 m 处直至到达空巷位置时顶板应力变化曲线，如图2 所示。

图2 顶板应力随工作面推进变化曲线

图3 充填支柱结构设计示意图

从图中可以看出，随着工作面逐渐推进，空巷围岩应力逐渐升高。在距离空巷10～20 m 处，顶板应力快速增长，来压明显；在距离空巷5 m 左右时，空巷顶板应力增长速率有所放缓，达到峰值并逐渐趋于稳定。最大主应力为13.38 MPa，Z 方向应力为13.72 MPa。由此可以得出，在现有支护条件下，工作面在过空巷时无法保证回采工作的安全性，应采取充填支柱支护措施控制顶板围岩变形，保证工作面安全通过空巷。

2.2 空巷充填支柱参数设计

（1）充填支柱高度、直径确定

根据寺河矿地质资料，空巷高度在4.5 m 左右。根据充填支柱应用经验，将充填支柱的直径确定为1 m，高度确定为4.5 m，高度可随空巷顶底板条件做出适当调整。

（2）充填支柱结构设计

为保护充填支柱在不规则瞬间动压的影响下不破坏，应在充填支柱上方设计有起接顶、让压作用的让压接顶层。让压接顶层强度应低于充填支柱承压整体强度，在顶板来压时，适当释放顶板压力，给予顶板活动空间，防止充填支柱整体破坏。根据现场施工条件及充填支柱尺寸，将让压接顶层高度设计为200～300 mm。支柱结构设计示意图如图3所示。

3 充填支柱材料研发

工作面回采至空巷时，采煤机将空巷支柱与煤体直接回采。因此，为保证回采煤炭质量，空巷充填支柱采用无机矿粉材料。充填支柱材料主要由硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、石膏以及其他增稠剂、调凝剂组成。硅酸盐水泥主要保证充填支柱后期强度形成，硫铝酸盐水泥则提供较高的早期强度，在石膏的存在下，为水泥熟料提供快速反应条件。材料水灰比可调，能够在0.8～2.0:1 范围内调整，简化施工工艺，做到一种材料施工即能满足充填支柱和让压接顶层的性能需求。充填支柱材料不同水灰比条件下抗压性能见表1。

从表中数据可以看出，随着水灰比的提高，充填材料的抗压强度逐渐降低。根据现有支护经验，同时参考数值模拟结果，充填支柱的承载能力应不低于17 MPa。因此，为起到节约施工成本的目的，确定充填支柱的水灰比为1.0:1，其28 d 抗压强度为18.36 MPa。让压接顶层强度应低于充填支柱整体强度，但仍要起到支护顶板的作用，因此让压接顶层水灰比确定为1.5:1，其28 d 强度12.53 MPa，在顶板来压时受力变形，提供顶板一定活动空间，释放顶板压力。

表1 充填支柱材料不同水灰比条件下抗压强度参数

4 工程应用及效果考察

4.1 充填支柱支护方案设计

根据寺河矿地质资料，在三条横川共计四条空巷布置充填支柱。

参考寺河矿空巷地质条件和充填支柱应用经验，根据设计的支柱高度、直径，将充填支柱在三条横川空巷中的布置参数确定为：沿空巷走向布置两排支柱，呈“三花”交错布置，每排支柱间距1500 mm，排距1700 mm，距回采侧煤壁500 mm，距另一侧煤壁700 mm；53017 空巷充填支柱按照双-单-双布置，在巷道正中间布置一排支柱，在两侧对称布置两排支柱，两侧支柱距煤帮750 mm，支柱走向间距均为2500 mm，对称两排支柱间距为1500 mm。上述距离均为支柱边缘间距离，具体布置如图4 所示。

图4 充填支柱布置示意图

4.2 充填工艺

充填支柱材料为无机单液材料，泵送能力强，在施工过程中采用泵送的方式进行充填。按照充填支柱布置方案，在巷道顶板金属网上悬挂支柱充填袋，同时利用木条均匀捆扎于充填袋四周，保证充填袋与顶底板垂直。之后进行充填支柱材料预制浆，浆液通过注浆泵泵送到充填位置附近，经过三通分别泵送至两个支柱充填袋内，在一定程度上提高了施工的安全性和可控制性。

4.3 支护效果考察

在工作面推进到空巷附近时，为了考察充填支柱支护空巷效果，对工作面在揭露直至通过6#横川空巷期间液压支架支护阻力进行了统计，统计结果如图5 所示。

图5 过空巷期间支架工作阻力变化

从图中可以看出，工作面在接近直至通过空巷期间，工作面支架工作阻力比较平稳，过空巷期间呈略微下降趋势，未出现异常增大现象。这表明空巷顶板得到有效控制，无顶板断裂、冒落和压架现象。工作面过空巷后，可能改变了工作面来压步距，支架工作阻力有所上升，但均低于8000 kN，无异常现象。同时结合现场采煤机回采至空巷充填支柱时并未出现来压过大、压垮支柱的现象，表明支柱参数设计合理，能够很好地控制空巷顶板变形，保证了工作面安全通过空巷。

5 结论

（1）利用数值模拟软件研究了工作面接近空巷过程中空巷顶板应力变化规律，提出利用充填支柱支护控制空巷顶板支护技术措施，并依据地质条件及模拟结果设计了充填支柱参数及结构。

（2）根据充填支柱的性能需求，研发了水灰比可调范围大的充填支柱材料，实现一种材料即可达到充填支柱和让压接顶层的性能需求。材料可泵送能力强，施工工艺操作简便。

（3）空巷经过充填支柱支护后，在工作面通过空巷期间，支架工作阻力比较平稳，现场无充填支柱破坏现象。表明充填支柱参数设计合理，能够控制顶板变形，保证工作面安全通过空巷。