深埋大采高冲击地压矿井工作面过空巷新型强力墩柱支护技术研究与应用

深埋大采高冲击地压矿井工作面过空巷新型强力墩柱支护技术研究与应用

王依雷

鄂尔多斯市 伊化矿业资源有限责任 公司 内蒙古 鄂尔多斯 017318

摘要：本项目以综采工作面过空巷为研究背景，通过分析新型强力墩柱的材料组成、支护强度以及过空巷期间顶板受力特征、矿压显现规律，并结合目前空巷支护情况和应力分布状态，全面论证了新型强力墩柱支护的可靠性；同时结合工程实践，验证了综采工作面过空巷期间采用新型强力墩柱支护关键技术的可行性。

关键词：强力墩柱 支护 安全高效

1 工程概况

母杜柴登煤矿30208综采工作面走向长5890m，倾向长300m，埋深639.73～663.34m，煤层平均厚度约6.12m。工作面前方存在一条通风逃生措施巷，措施巷与工作面呈20°夹角，巷道规格宽×高=5.4×4.4m，局部巷高达到6m（做假顶后5m），长度320m，且措施巷胶运顺槽侧存在长度100m（20~120m）的冲刷带，该处顶板破碎，节理裂隙发育。工作面推采过程中，受超前采动应力影响，当回采工作面靠近空巷时，空巷的存在干扰了工作面超前支承应力的正常传递，导致空巷周围应力分布状态复杂化，此时，若工作面支架支撑能力不足或顶板载荷超过支架工作阻力，顶板将出现大量下沉或切顶，压死支架，导致工作面难以快速推进。因此，有必要对空巷采取外部支护措施，保证工作面安全顺利快速通过。

2 理论依据

传统的架木垛、垛式支架、膏体充填等超前支护方案并不完全适用本工作面的回采条件。经过不断总结探索，提出新型强力墩柱支护技术，该种新型强力墩柱在结构上主要包括模袋、外部约束模具、充填材料三种。施工时，事先在设计位置吊挂充填模袋和外部约束模具，再将现场制备的充填材料泵送至充填模袋中，待充填材料在外部约束模具中完全凝固成型后，形成完整的墩柱支护结构等关键技术。

在空巷内施工146根墩柱进行外部支护，墩柱采用φ1000mm和φ800mm两种规格，双排错花布置。每根墩柱均内置封闭柔性模具及加强箍筋，采用速凝充填材料泵注一次性接顶，28天终凝强度可达15MPa，φ800mm墩柱最大支护能力8000kN，φ1000mm墩柱最大支护能力10000kN。墩柱支护可在煤柱塑性破坏后分担工作面支架承担的顶板载荷，缓解顶板剧烈的压力显现；该种墩柱具有施工作业的机械化程度高、高支护强度，易截割等特点，工作面贯通时，煤机可直接截割破碎，随皮带运出，不用搬家回撤，快速通过空巷。30208工作面措施巷墩柱支护布置如下图所示：

3 墩柱支护关键技术分析

3.1 工作面矿压显现规律

30208工作面来压规律较为明显，工作面来压呈现出明显小周期来压显现，来压持续时间短，主要集中在工作面中部，机头、机尾来压显现不明显。初步分析认为，工作面来压为上覆岩层下位岩体周期性破断导致，由于本工作面为首采工作面，老顶致密坚硬且厚度较大，形成独立的关键层，不随下位岩体的周期性破断而破断。

3.2 墩柱支护参数分析

30208工作面通风措施巷长度320m，与工作面呈20°夹角，巷道内共施工2排墩柱，根据巷道高度变化，采用φ1000mm和φ800mm两种规格墩柱，双排迈步布置，第一排墩柱距离回采帮1.5m，第二排墩柱距离回采帮3.5m；φ1000mm墩柱间距5m，φ800mm墩柱间距4m。共计施工φ1000mm墩柱58根，φ800mm墩柱88根，合计146根墩柱。

根据巷道素描图，胶运巷侧79m和回风巷侧63m范围内巷道较高，平均高度超过4.5m，最大达到6m（做假顶后不超过5m），设计施工φ1000mm墩柱，每根支柱支护能力为10000KN；措施巷中间175m巷道高度基本在4m左右，设计施工φ800mm墩柱，每根支柱支护能力为8000KN。墩柱支护剖面如下图所示：

本次新型强力墩柱技术在30208工作面的应用实践中，为了墩柱支护作用机理做详尽的了解，共设置了10组墩柱压力测站，结合工作面支架压力监测数据，利用三维模拟手段，对墩柱支护条件下的大采高、强矿压工作面支架—墩柱耦合承载作用机理及受力特点进行研究。

4 现场应用

4.1 墩柱压力承载特征分析

为准确掌握空巷端头与中部承载特征的差异，在整条空巷内设置了3个墩柱载荷测站，其中机头1个、工作面中部1个、机尾1个。

机头测站距离胶运顺槽15m，距离辅运顺槽305m，随着工作面的推进，墩柱受力逐渐增大。工作面距离空巷6m至贯通时，墩柱受力急剧增大，最大受力达到4930~5950kN，日增量最大达到2850KN，随后压力开始迅速下降。

中部测站距离胶运顺槽91m、152m和217m，距离辅运顺槽309m、168m和103m，随着工作面的推进，墩柱受力逐渐增大。工作面距离空巷12m至贯通时，墩柱受力急剧增大，最大受力达到7400kN，日增量最大达到2600KN。

机尾测站距离胶运顺槽295m，距离辅运顺槽25m，随着工作面的推进，墩柱受力逐渐增大。

工作面距离空巷6m至贯通时，墩柱受力急剧增大，最大受力达到4230kN，日增量最大达到2830KN。

4.2 主要创新点

本次在30208工作面使用新型强力墩柱，是利用低强度充填材料配合复杂力学结构来提升墩柱的整体抗压强度，解决了墩柱“高强支护”与“便于截割”的矛盾问题为主要核心开展工作，优化墩柱承载环境，提高墩柱的塑性变形能力。在墩柱结构设计、模具材料选择、充填材料选择、工艺设备配套及矿压监测等方面进行研究，形成了新型墩柱产品和成套工艺技术体系，有效解决了墩柱“高强支护”与“便于截割”的矛盾。

除此之外，通过引入墩柱压力监测系统，从理论上对墩柱支护技术进行总结研究，深入了解其作用机理，为将来类似项目的应用提供理论和实践经验。

5 结 论

工程实践表明，新型结构墩柱为复合承载式结构，对于综采工作面大断面空巷具有良好的支护效果，既大幅提高了墩柱施工效率又保证了结构强度，具有支护效果好，易截割，通过速度快等特点，大大减少辅助工作量，有利于矿井高产高效。

参考文献：

1. 钱鸣高，繆协兴，何富连，采场“砌体梁”结构的关键块分析【J】.煤炭学报.1994.19（6）.557-563.

2. 洪允和, 煤矿开采方法[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1991.

3. 周海丰.大采高工作面过大断面空巷切顶机理及控制技术【J】煤炭科学技术，2014.42（2）.120-128.

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