综采工作面分段充填过空巷技术研究

综采工作面分段充填过空巷技术研究

巩毅

山西兴县华润联盛峁底煤业有限公司  033600

摘要：随着我国社会经济的飞速发展，国内的部分煤矿进行无序开采、巷道不合理布置，严重制约着煤炭开采的后续进行，遗留下来的废弃巷道数不胜数，过空巷问题变得越来越显著。由于空巷的存在，制约着工作面安全高效的回采，一直以来是煤矿开采的技术难题，目前主要面临2个问题：①在超前支撑压力的影响下，基本顶发生超前破断，空巷和工作面顶板出现急剧下沉，当工作面在经过空巷时，无法正常推进；②空巷与工作面之间的煤柱宽度小于临界宽度时，煤柱发生突变失稳，造成大面积的冒顶、压垮支架等事故，影响生产安全。因此对空巷支护措施开展研究可保证工作面的安全有效回采。

关键词：综采工作面；分段充填；过空巷技术

引言

随着各行各业的进一步发展，对煤炭资源的需求量在不断增大，这就要求煤矿企业加大对煤炭资源的开采量。大部分易开采、地质条件好的区域已经被开采殆尽，煤矿企业就将目标锁定在复杂地质条件区域，这些区域煤层和岩层的变化规律较为复杂，而且在实际开采过程中会遇到空巷，这些空巷是因开采设计变更或无序开采而留下的废弃巷道，依据空巷与工作面相对应的空间位置大致可分为本层、上层和下层三种不同层位的空巷。当综采工作面过空巷时很容易因顶板结构发生变化而导致坍塌事故发生，因此，煤矿企业需要高度重视综采工作面快速过空巷技术。目前过空巷技术主要有补打锚索、架设木垛、用高水充填材料充填、布置密集的液压支柱以及注浆加固围岩等，需结合煤矿的实际情况选择合适的技术。

1综采工作面快速过空巷技术的重要性

在煤矿实际采掘中经常会遇到空巷，选择合适的技术过空巷对综采工作面顺利推进具有十分重要的意义。煤矿中的空巷主要是因煤炭资源枯竭或无序开采导致的，也有可能是由于回采工作面设计方案改变导致的。综采工作面过空巷时，受各方面不利因素的影响，例如采动支承压力作用、维护时间较长、巷道围岩弱化等，导致空巷的顶板容易发生片帮或下沉等现象，严重时可能会诱发上覆岩层失稳或移动，从而造成综采工作面顶板大面积坍塌，造成严重的安全事故，极大地影响采掘的效率和安全性。因此，综采工作面过空巷时需要选择合适的技术，从而顺利通过综采工作面。

2工作面过空巷顶板覆岩活动及顶板断裂分析

2.1工作面过空巷顶板覆岩活动分析

通常情况下，空巷形成的同时周围的应力也会重新分布，并在空巷左右的煤岩内形成一定的侧向支承压力。随着工作面的不断推进，工作面超前支承压力与侧向支承压力会相互作用，使得煤柱两边塑性区的深度不断增大，且深度与工作面和空巷之间的煤柱宽度成反比，即工作面和空巷间的煤柱宽度越小，其煤柱两侧塑性区深度就越大。当空巷与基本顶断裂位置距离超过正常来压步距时就会发生断裂，会对空巷围岩造成一定的影响，并且断裂的位置不同，造成的影响也不同。一般情况下，当空巷与基本顶断裂位置距离大于或等于2倍来压步距时，煤柱宽度相对较大，工作面超前支承压力对空巷围岩不会造成太大的影响；但是当空巷与基本顶断裂位置距离小于2倍来压步距时，工作面与空巷间煤柱宽度较小，而此时煤柱两侧塑性区深度过大，就会导致煤柱的承载能力不断下降，使得顶板出现下沉现象，进而导致工作面上方重要的砌体结构有滑落的情况出现，甚至出现空巷冒顶、支架压死等事故。因此，针对空巷的问题，要尽早对空巷进行充填，减少煤矿开采过程中存在的安全隐患。

2.2工作面过空巷顶板断裂分析

围岩应力在空巷掘进支护完成后会重新回归平衡，但是工作面开采引起的超前支承应力加快了围岩破坏的速度，导致空巷附近的支架阻力太大，使得顶板下沉量大幅度增加，极大程度增加了顶板控制的难度。研究表明，通常情况下空巷顶板变形破坏过程主要经历4个阶段：围岩初始变形—顶板岩层弯曲离层—顶板岩层断裂破坏—顶板岩层垮落破坏，具体过程如图2所示。空巷顶板变形破坏是一个渐变的过程，最初对巷道进行掘进时会给围岩造成一定的变形，并且这种变形是难以控制的，但在后续过程中可采取有效的措施减缓顶板的变形。如果在还未发现顶板出现离层时就采取相应的措施，可有效避免顶板出现离层的情况；如果顶板已经出现离层，可对顶板岩层进行强化，避免顶板岩层出现断裂，甚至垮落破坏。

3综采工作面分段充填过空巷技术研究

3.1充填材料和方法选取

目前，矿井的充填材料有很多，例如树脂化学材料、水泥砂浆及高水材料等。其中，树脂化学材料时间一长很容易产生有毒有害物质，而且投入的成本较高；使用水泥砂浆作为充填材料时，凝固的时间长，且存在析水量大、结石率低等不足之处；如果选择高水材料，该填充物不会产生有毒有害物质，并且具有很好的渗透性、流动性等优势。根据已有的对空巷填充工程的实际研究，充填空巷的方法有很多，例如直接开放式充填法、充填袋式充填法、分段阻隔式充填法及混合式充填法，煤矿可结合实际情况选择。煤矿空巷内底板坡度有差异，巷道起伏不平。工作面过空巷时，一次性揭露空巷会使得顶板暴露太多，从而造成工作面液压支架承载过大，降低了采掘的安全性。因此，需要提前对过空巷的工作面进行调斜，使工作面切巷为伪倾斜布置。

3.2高水充填技术在过空巷中的应用

a)充填材料水灰比。在对空巷进行填充时，不仅需要考虑填充的最终效果，还需要综合考虑材料的成本和用量。现阶段，煤矿中常用的充填材料有水泥砂浆、树脂化学材料及高水材料等。其中，高水充填材料具有很多优势，例如流动性好、价格低、凝结时间可控及无析水等；而高水充填材料水灰比会直接影响空巷支护强度。煤矿企业在应用此技术时不仅需要满足空巷围岩控制的要求，还需要满足采煤机截割的要求。

b)充填方案。对空巷进行充填时需要运送充填材料，其中运送的方式有两种，一种为通过机械设备或人工将充填材料运送到充填位置，另一种为通过泵方式输送。其中泵送的方法具有很多优势，例如安全性好、充填效率高及自动化程度高等。

3.3高水充填技术的优势

高水充填技术的优势主要有以下几点：1)凝结速度快、强度高。实践表明，在采用高水材料进行充填时，两种材料单独加水时，在1天内不会出现凝结的情况，但将两种材料混合后会快速凝结硬化，且强度较高。另外，还可以通过改变水和外加剂的比例来实现强度的变化，水灰比越小，其抗压强度越高。2)高水材料具有一定的塑性，用高水充填材料对所有的空间进行充填，可实现对巷道顶板的支护加固，避免巷道顶板出现下沉、冒顶等，使工作面能够快速地通过空巷。3)高水充填可实现自行修复。在充填时，如果部分固结体遭到破坏，可以用水进行再次胶结，避免工作面在过空巷时巷道出现变形。4)采用高水充填技术可满足采煤机截割的要求，为工作面快速通过空巷提供一定的基础。

结束语

综上所述，当煤矿开采过程中遇到空巷时，需要结合实际情况选择合适的过空巷技术手段。过空巷技术手段有很多，每种技术都有其优点和不足之处，为了进一步保障综采工作面的安全性和稳定性，应用最为广泛的就是空巷充填技术，其中高水充填技术的综合效果更好，可以极大程度降低事故发生率，提高煤矿的生产效率，使煤矿实现可持续发展。为此，提出采用高水充填技术对空巷围岩变形进行控制，可有效解决综采工作面过空巷这一难题，极大程度降低事故发生率，同时采煤机可直接对充填区域进行截割，提高煤矿的生产效率，促进煤矿实现可持续发展。

参考文献

［1］张学亮.小煤窑空巷影响下采煤工作面矿压显现规律研究［J］.煤炭工程,2021,53(6):68-72.

［2］张闯,李培贤,任强,等.弱胶结软岩过空巷控顶技术实践［J］.煤炭技术,2022,41(1):54-58.

［3］王文林,马赛.大采高工作面复杂应力扰动下切顶卸压沿空留巷技术［J］.煤炭工程,2020,52(4):33-37.