引 言
使用综合机械化采煤的矿井，在掘进巷道或者布置工作面的时，为满足通风、运输、探放水、安装、或者回撤支架等方面的需求，在回采工作面中掘进巷道是一直以来采取的一项有效的措施；另外为发挥综采设备的最大利用率，优化工作面布置参数，或者把一些相邻的小块段煤柱一次性回收，这些情况有时也会使回采工作面中存在空巷。工作面过空巷一直是煤矿开采中未能很好解决的技术难题。按空巷与工作面相对应的空间位置，一般分为煤层空巷、顶板空巷、底板空巷三种。对于工作面顶板中存在空巷的情况，在工作面回采期间主要面临以下几点问题：（1）工作面出现局部冒漏现象；（2）空巷积水、瓦斯和其他有害气体；（3）造成通风紊乱；（4）工作面停采后出现漏风、发火危险。因此，如何安全进行开采，消除工作面顶板空巷带来的安全隐患，成为工作面过顶板空巷亟待解决的主要技术问题。
本文以马脊梁煤矿8101工作面顶板空巷充填工程实践为背景，运用理论分析，数值模拟，现场实践等手段，分析综放工作面过顶板空巷时空巷围岩稳定性规律，采场矿压特征，以及超高水材料充填空巷的作用机理，提出采用超高水材料充填顶板空巷方案，保证工作面安全通过空巷。研究成果对促进超高水材料充填技术的推广和发展具有重要意义，同时对工作面安全通过顶板空巷具有一定的借鉴意义。
1 工程概况
同煤集团马脊梁煤矿3#煤层8101工作面地表位于窑洞村南西、万家嘴村北东，地形地貌为沟谷相间的丘陵、台地，有长沟支沟、万家嘴大沟及支沟穿越该工作面，地面大部分为耕地、地面无建筑物，地面高差为95米左右。该工作面北东、南东为3#层盘区皮带巷、辅运巷及回风巷，北西、南西均为实煤区，上覆侏罗系为雁崖矿釆空区及小煤矿破坏区。3#煤层埋深430～550m，厚度5.90～8.40、平均7.10米，纯煤厚5.09～6.65米、平均5.63米，含3～6层夹矸、厚0.43～2.43米、平均1.47米，倾角2°～7°，平均3°，属近水平煤层。煤岩类型以暗淡型为主，煤种为气煤。煤层顶底板情况如表1所示
表1 煤层顶底板情况表
根据煤层赋存条件，8101工作面采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤开采的采煤方法，可采走向长度1791米，倾向长度239.4米，采高为3.3m，放煤厚度3.8m，采放比约为1:1.15。采用自然垮落法管理采空区顶板。工作面为满足前期通风需求，在工作面上方掘进了一条回风巷道，顶回风巷位于8101工作面运输、胶带顺槽之间，与5101顺槽水平距离15.3米（帮-帮），工作面示意图如图1所示。巷道全长1903.745米，沿直接顶中2#层煤层底板掘进，半煤岩巷，2#煤层在本区赋存不稳定，厚度不大、结构简单，煤层厚度0.60～2.09，平均0.97米。该巷主要用于8101工作面的抽放瓦斯。根据工作面回风巷5101巷钻孔柱状图显示，巷高平均4m，探顶煤高0~6m，平均3.2m，2#层至3#层间距0.85～5.30米，平均2.19米，当工作面推进时，工作面顶板与顶回风巷底板之间的煤岩层厚度逐渐变薄，在最近处层间距只有0.64米。如果不进行有效处理，顶回风巷的不稳定性将给采煤工作面带来严重安全隐患，影响工作面的生产效率。
图1 8101工作面示意图
Figure1 Arrangement chart of 8101 working face
2 顶板空巷围岩稳定性分析
空巷围岩的稳定性是影响工作面过空巷的重要因素，当工作面顶板中存在平行于工作面空巷，且工作面距离空巷较近时，空巷采场侧巷帮煤岩体起到传递支架支撑阻力，控制基本顶的关键作用，因此，本文提出“空巷煤柱”的概念，来描述空巷采场侧到工作面之间的巷帮煤岩体，如图2所示。当工作面临近空巷时，采动支承应力会对空巷围岩造成显著影响。由于工作面直接顶处于煤层开采后悬露状态，该直接顶一般处于塑性状态，应力分布状态和稳定性受直接顶特征和支架支撑阻力的影响，差异性比较大，因此本文暂不考虑工作面直接顶的应力分布，只针对空巷煤柱在空巷侧支承应力区的应力分布变化及变形破坏特征进行分析。
图2空巷煤柱示意图
Figure2 Schematic diagram of airway coal pillar
2.1 空巷煤柱稳定性分析
当工作面距离空巷较远时，空巷围岩尚未受到采动应力影响，空巷煤柱两侧形成互不影响的支承应力区，由于开挖范围不同，采空区侧的支承应力影响区较空巷侧大，空巷煤柱中央仍处于原岩应力区，在空巷侧从边缘到中央形成破裂区、塑性区、弹性区、原岩应力区。随着工作面的推进，采动支承应力逐渐向前移动，和空巷支承应力区产生叠加，改变空巷煤柱的应力分布状态，使煤柱中央弹性区处于较高的应力状态[1]，如图3（a）所示。
图3空巷侧支承应力分布
Figure3 The distribute of bearing stress
Ⅰ—破裂区 Ⅱ—塑性区 Ⅲ—弹性区应力升高部分
Ⅰ—Rupture zone Ⅱ—Plastic zone Ⅲ—Elastic stress distribution on the raised parts
当采动应力影响区扩散到空巷支承应力峰值时，空巷侧支承应力区会逐渐向煤柱内部移动，极限平衡区（塑性区）范围逐渐扩大，应力峰值升高，空巷煤柱中部集中应力急剧增大，如图3（b）所示。随着工作面的持续推进，采动支承应力开始影响到煤柱空巷侧极限平衡区。由于处于塑性流动状态的煤岩体所能承受的应力不会增加，在煤柱两侧支承应力叠加的作用下，塑性区部分会发生一定塑性变形而降低应力，而处在边缘处的煤岩体会因叠加应力的作用发生疲劳破碎，从而扩大破裂区的范围。如图3（c）所示，空巷煤柱空巷侧支承应力峰值向煤柱内部延伸，塑性区，破裂区范围都会增加。当空巷煤柱继续减小，空巷侧的破裂区范围则会持续扩大，最终空巷煤柱将完全处于破裂区，丧失承压能力，严重威胁工作面顶板安全。
2.2基本顶稳定性分析
随着工作面的推进，空巷煤柱在某一刻将完全处于破裂状态，丧失上覆岩层支撑能力，从而使基本顶的空顶长度突然增加。当基本顶的上次破断距空巷的距离较近，空顶长度小于周期来压步距时，下一个砌体梁关键块B [2]将跨越空巷，不会引起明显的矿压显现，如图4（a）所示。当突然增加的空顶长度大于周期来压步距时，由于基本顶在实体煤上方剪切力最大，所以空巷上方基本顶极易在空巷里侧发生断裂，关键块B提前发生回转，如图4（b）所示。此时关键块长度可能大于周期来压步距，造成工作面来压时间提前，强度增加[3] [4]。
（a）基本顶常规断裂 （b）基本顶超前断裂
图4 空巷上方基本顶破断特征
Figure4 Fractured characteristics of basic roof over abandoned workings
当工作面顶板中存在垂直于工作面的空巷时，工作面受空巷的影响的范围小，持续时间较长。临近工作面的空巷两帮煤岩体受空巷支承应力和采动应力的叠加影响，变形和破坏的深度将会增加，对基本顶的支撑作用将会降低，支承应力向两帮深部移动。由于空巷围岩只是在工作面方向产生小范围的变形破坏，对基本顶的稳定性不会造成明显的影响。
2.3 工作面直接顶破坏分析
当工作面通过通过一段完全破碎的空巷煤柱时，工作面前方极易发生严重的漏顶现象，出现支架不接顶的现象，空巷顶板在失去支撑的情况下产生冒顶现象，进一步恶化工作面进入空巷后的开采环境。工作面接近空巷的过程中，工作面煤墙受空巷支承压力的作用，会引起大范围片帮。当工作面进入空巷后，支承压力变小，此时空巷内破碎煤岩块和破碎的底板可能给工作面带来漏顶的事故。工作面通过空巷后，矿压显现会明显减小，顶板和煤体的完整性得到改善，进入正常的工作状态[5]。
对于垂直于工作面顶板空巷，受空巷支承压力的作用，工作面进入空巷后，位于空巷下方小范围内的支架受支承压力的作用较小，但会受到空巷底板和两帮的变形破坏，以及空巷部分冒顶的影响，工作面会出现局部的冒漏现象。而位于空巷两侧的支架处于应力集中状态，支架受压会明显增加，煤墙也会出现片帮现象。
2.4 空巷围岩控制
经过对工作面过空巷时围岩稳定性分析，受采动影响的空巷围岩会发生片帮冒落等危险，空巷的存在和空巷煤柱的失稳会使基本顶空顶距突然增加，可能会引起基本顶的超前断裂，造成工作面剧烈来压，工作面过空巷过程中也会因为顶板的完整性遭到破坏而出现顶板冒漏事故。因此，工作面过顶板空巷时对空巷的支护应该达到两个要求：
（1）对空巷顶板和两帮提供足够的支护强度，防止围岩破坏，降低工作面过空巷时受到的集中应力的影响，同时对上覆岩层起到一定支撑作用。
（2）加固空巷破碎围岩，避免工作面出现直接顶破碎的情况，当工作面过空巷时保证直接顶传递支架阻力能力，发挥控制老顶的作用。
3 305工作面超高水材料充填工艺系统
3.1 超高水材料力学基本性能 [6]
超高水材料固结体的抗压强度随着A、B两浆液混合后水化龄期的延长而不断增加，但强度增加的速率在不同时期有所差异，一般情况下，水化前期强度增长幅度较后期大。图5为水体积比率为91%、92%、93%、94%、95%、96%与97%七个级别的超高水材料固结体各龄期强度随时间变化情况。由图知，超高水材料固结体抗压强度随时间延长而不断增加，早起强度增长幅度较快，7d后强度增长缓慢。此外，固结体抗压强度随水体积的增大而逐渐减小。
实验室研究及其他矿区实践已经证明，超高水材料固化体在三面受限条件下，其凝固体各龄期强度均有明显的提高，强度平均提高25%左右。在井下充填的环境下应用，由于周围岩层的限制，使材料的强度能发挥相当于其自身强度 125%的效果。
图5 固结体正常养护各龄期强度随时间变化曲线
Figure5 Compressive strength of superhigh-water material with curing time
超高水材料混合浆液具有流动性很强和渗透性强的特点，浆液经挤压渗透到破碎的煤岩块间，以及围岩裂隙中，并固结后，呈层状、网状、脉状分布，和周围岩体形成整体结构加固空巷围岩，不仅能封堵漏风，同时也能阻止空巷浮煤自燃。形成网络骨架的超高水速凝材料固结体强度不能达到岩体一样，但超高水速凝材料固结体能将破碎围岩粘结成整体，体现出良好的韧性和粘结性，阻止围岩进一步片帮或冒落，避免工作面过空巷是松散岩体掉落。
3.2 充填参数确定
对于8101工作面顶回风巷和工作面的位置关系，工作面在通过空巷时主要的防范目的是防止顶板破碎，出现漏顶冒顶的危险，利用超高水材料固结破碎围岩的作用作用机理，为了确定顶板空巷充填体的强度需求，用FLAC3D对超高水材料预充顶板空巷进行数值模拟。模型大小为长200m，宽140m，高60m，模拟老顶厚度6m，直接顶厚度7m，煤层厚度6m。通过模拟在不同强度的充填体作用下，工作面推进至空巷前三米时，空巷顶板下沉量来确定合适的充填体强度。
数值模拟结果如图6所示，充填体强度越大，顶板下沉量越小，当充填体强度大于1.2MPa时，增加充填体强度对减小顶板下沉量没有显著的作用，综合考虑空巷维护效果，安全可靠性以及充填成本，确定使用强度为1.5MPa的充填体，相应的超高水材料水体积为95%，水灰比为6.33:1。
图6 顶板移进量与充填体强度关系
Figure 6 Relationship between convergence and filling body strength
4 工程应用效果
马脊梁煤矿8101工作面顶回风巷充填工程按照计划按时完成，8101工作面已安全通过了超高水材料加固的顶回风巷，根据空巷充填现场和工作面现场观测调查，空巷充填进程以及工作面回采都很顺利，以下对超高水材料充填工作面顶板空巷效果进行分析。
（1）超高水材料充填工艺简单方便，需要劳动力少，强度低，对空巷充填支护的效率高。浆液流动性能好，能够有效渗流进入底板冒落的煤岩块间隙和两帮破裂煤岩裂隙。
（2）在工作面回采至超高水材料充填区段范围内时，通过观测，超高水材料在空巷围岩渗透、凝固状态良好，保证了工作面支架上方顶板的密实性与完整性，有效防止了顶板破碎、支架上方漏空不接顶等现象的发生，工作面顶板状况如图7所示，可以确定此次超高水材料充填已经达到预期效果，能够有效防止顶回风巷内顶板提前垮塌及两帮片帮严重等问题，遏制了工作面因顶板破碎，支架不接顶而造成漏顶事故的发生。
图7 工作面顶板效果
（3）工作面过空巷过程中，处在空巷两侧应力集中位置的支架没有出现超过额定工作阻力或压架事故等支架承压过大的现象，这说明充填体对附近工作面直接顶的稳定性也起到了有效的控制作用。
5 结论
影响工作面过顶板空巷的主要因素是空巷围岩的稳定性。为了保证工作面过空巷过程中不出现顶板破碎，来压剧烈的危险，必须对空巷顶板和两帮煤柱进行有效的支护，同时加固空巷破碎围岩。超高水材料充填体具有早强快硬，流动性好的特点，固结体有足够的强度支护空巷顶板，防止基本顶关键块失稳，并且能够加固两帮破裂的煤壁，有效维护了空巷煤柱的稳定性。工程实践证明超高水材料预充顶板空巷的方法是一种安全、高效的过空巷技术，为其他矿井解决类似问题提供技术和经验的支持。
参考文献
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