高水充填法在大采高工作面過空巷時的應用

楊育君

(陽泉煤業(集團)有限責任公司一礦，山西 陽泉 045008)

0 引言

采煤工作面推進前方出現空巷時，工作面煤壁與空巷之間煤體已在超前支承壓力作用下呈現破碎狀態，煤柱難以起到切頂作用，導致周期來壓步距增大，造成工作面頂板壓力急劇增大，工作面頂板變形增加，煤壁片幫、冒頂等。為實現工作面正常回采，用高水充填法充填空巷，提高老頂的切頂能力，保持來壓步距基本不變，實現了工作面正常回采。

1 工程背景及空巷概況

1.1 工程背景

15#煤三采區原設計為雙翼采區，采區準備巷道沿采區中部南北向布置，東西兩翼布置回采工作面。設計工作面走向長度800～1 366 m，工作面長180～200 m，回采工藝為綜采放頂煤開采。根據集團公司現代化礦井建設要求，決定在三采區試驗大采高綜采，并將采區準備巷兩翼工作面合并，合并后工作面走向長約2 800～3 000 m，同時在采區邊界新補采區輔助準備巷。東西兩翼工作面合并為一個工作面，導致每個工作面回采期間必須通過原采區四條準備巷及各類系統巷，回采困難。

1.2 工程地質及空巷概況

空巷所在S8303工作面煤層厚度5.9～6.66 m，平均6 m，煤層傾角1°～9°，平均4°，f=2～3，埋深607～716 m。直接頂為黑色泥巖，平均厚度1.17 m，老頂為深灰色石灰巖，平均厚度13.30 m，直接底為黑色泥巖，平均厚度5.84 m；老底為灰白色細砂巖，平均厚度4.8 m。

工作面回采至中部需過一條輔助下料巷和4條準備巷，合計長度1 090 m。5條巷道垂直于工作面走向布置，沿15#煤上層挑直接頂掘進，支護均采用雙錨掛網支護，依次分別為①下料巷(長×寬×高)：220 m×3.8 m×2.5 m；②采區西副巷(長×寬×高)：220 m×3.8 m×2.9 m；③采區皮帶巷(長×寬×高)：220 m×3.8 m×2.9 m；④采區軌道巷(長×寬×高)：215 m×4.2 m×3.8 m；⑤采區東副巷(長×寬×高)：215 m×3.8 m×2.9 m。

2 過空巷期間礦壓分析及支護方案

2.1 過空巷期間礦壓分析

當S8303工作面正常推進時，頂板斷裂模型可視為梁或板結構，工作面發生初次來壓和周期來壓后，上方老頂斷裂后，巖塊相互鉸合形成砌體梁結構，如圖1所示。根據模型進行圍巖受力分析后，發現支架的受力狀況主要取決于塊體Ⅱ的活動規律，巖塊Ⅱ的長度即為工作面老頂周期的來壓步距。但工作面前方如存在空巷，工作面推進到空巷附近，主要頂板達到周期來壓步距時，由于工作面煤壁與空巷之間煤體已在超前支承壓力作用下進入破碎狀態，煤柱難以起到切頂作用，因此，主要頂板的懸臂長度不會按周期來壓步距斷裂，同時空巷在掘進后導致的應力狀態轉化過程(由三維向二維轉化)中巷道巖體大范圍破壞，巷道軸向約束雖未因開挖而產生較大改變，這就導致了破裂巖體向巷內自由面變形，破裂后圍巖主要受結構面控制，表現為沿結構面向低約束方向的滑移，另一方面空巷破裂巖體在低圍壓下強度低、變形大，對深部圍巖的約束壓力也較小，高地應力或動壓作用下深部巖體進一步破壞，形成漸進破壞的動態循環，在3種應力因素共同作用下，此處老頂巖塊Ⅱ的長度遠大于正常周期來壓步距，進而造成工作面頂板來壓急劇上升，工作面頂板變形大大增加，煤壁片幫、冒頂加大。

1-空巷；2-支架；3-煤炭；4-直接頂；5-老頂圖1 工作面過空巷期間圍巖受力模型

2.2 過空巷的支護方案

根據理論分析，為了減小工作面上方頂板變形破壞，提高頂板自身承載能力，保證工作面回采期間正常通過空巷。應采取縮短周期來壓步距，降低礦山壓力作用，從而保證來壓步距保持正常值或縮短來壓步距，因而要求對煤層上方老頂進行加強支護，從而提高對老頂的切頂能力，或者對空巷進行充填，使得空巷在充填后接近原始三相應力狀態，從而保證在回采期間正常切頂，保持來壓步距基本不變，礦山壓力穩定作用。同時考慮到后續工作面過空巷工程的經濟合理性和安全性，應對傳統過空巷經濟參數和新工藝各項經濟參數進行分析對比，確定高水充填工程施工經濟合理性、先進性、安全性。

方法一：采用高水充填法。其原理為通過向空巷中注入水泥漿材料，將原空巷恢復到實體三相應力狀態，控制頂板變形破壞，保證回采正常通過空巷。

方法二：采用錨索補強+批木垛的方法支護空巷頂板，控制頂板變形破壞，保證回采正常通過空巷。

實施地點：施工方案以方案一為主方案，對空巷中的下料巷、皮帶巷、東副巷采用高水充填；方案二作為對比方案，在西副巷內采用錨索補強+批木垛的方法支護空巷頂板。

3 高水充填空巷主方案

3.1 高水材料

注漿材料選用高水速凝材料。高水材料是一種能在高水灰比條件(W/C=1.3∶1～3∶1)下快充填結的特種水泥，是中礦大承擔的國家“七五”、“八五”重點科技攻關項目的研究成果。為使用方便，高水材料分甲料、乙料兩部分，按1∶1的比例配合使用。甲料、乙料單獨與水混合24 h不凝結，為避免管路堵塞和一定條件下不沖洗管路創造了條件，而甲料漿和乙料漿一旦相互混合則快速充填結硬化。

3.2 充填工藝

工藝流程：高水材料充填包括充填泵站(為便于高水材料運輸，泵站盡量布置在設有軌道的大巷)與充填點兩部分，其基本工藝流程如圖2所示。

砌筑閉墻：為防止漿液流動，保證充填空間充填密實，充填段起止兩側需打設閉墻。閉墻可由木立柱釘上木板并內側襯一層風筒布構成，同時兩端伸入煤幫穩定處，并有不少于4根圓木將木板背實靠牢，頂部和兩側伸入煤幫200 mm。

管路安放：為保證空巷充填密實，將待充填的空巷分段后，在每段空巷內可以再分段施工。如圖3所示，若左側止漿墻位于最低處，則將混合管1(管路不回收，可使用普通膠管)綁定在分段巷道中間的頂板上。待前段充填將要結束時，再將甲乙兩組輸漿管通過三通與混合管2連接。

圖2 充填工藝流程圖

圖3 充填管路布置示意圖

配料制漿：制漿是充填過程中的一個重要環節，包括向攪拌桶內加水、加料、攪拌等步驟。

泵送充填：在雙液注漿泵和管路連接好后，先用清水試泵，待注漿泵工作正常并且管路連接不漏后，可以將泵連接兩個攪拌桶，通過每組管路分別將甲、乙料送至充填位置附近。

3.3 高水充填基本要求

為實現S8303工作面安全開采，保證在回采工作面超前支承壓力作用下，各空巷頂板不發生冒落，需要充填體及充填過程具備以下特點：①將需充填的空間充滿、保證接頂；②充填體有適當的強度，有效支撐頂板，且后期在壓力作用下可以有較大的塑性變形；③快速充填，減少充填施工時間；④充填工藝簡單，充填系統易于操作。

采用高水充填材料充填空巷可以滿足以上要求。根據實驗室試驗結果，參考以往的工程實踐，綜合考慮井下施工條件、工作面超前支承應力的作用效果、漿液固結強度及材料消耗等因素，確定漿液的水灰比為7∶1。充填施工時高水充填材料兩組分別加水攪拌形成甲料漿、乙料漿，2ZBYSB430-135/3～10-55型雙液注漿泵分別對2種漿液加壓，雙趟高壓管路輸送漿液，在預定充填位置混合、凝固。

為提高接頂質量，保證充填效果，采用分段式充填，該充填方式主要工序為：①根據巷道的具體條件，將待充填的巷道分為若干個充填區域，每個區域構筑閉墻；②將高水充填材料充入封閉空間，如此循環作業。如圖4所示，在構筑閉墻時，先不進行封閉，以便于輸送充填漿液，同時便于查看充填情況，隨著充填液面逐步升高，逐步加高閉墻直至封閉。

圖4 分段式充填巷道示意圖

4 過空巷期間礦壓觀測及參數分析

為監測采用高水材料充填方式支護的下料巷和采用木垛支護的西副巷期間的壓力變化情況，設置了工作面液壓支架測站，巷道深部圍巖位移采用深基點位移計進行監測。從空巷移近變形量、支架受力分析、圍巖深部基點監測方面進行礦壓分析。

4.1 空巷移近變形量

西副巷頂底板及兩幫移近量較大，下料巷變形量較小。當工作面與空巷之間的距離<15 m時，尤其是<10 m以后，頂底板及兩幫位移量顯著增大。采用高水材料充填空巷的效果比采用木垛支護空巷的效果好，巷道頂底板及兩幫移近量只有木垛支護的50%，兩幫移近量從木垛支護的80 mm降低到39 mm，頂底板移近量也從木垛支護的最大 99 mm降低到了51 mm，充填支護效果十分明顯。

4.2 工作面液壓支架受力分析

工作面距空巷距離>40 m時，工作面支架平均工作阻力在34.3 MPa左右。當工作面與空巷之間的距離為20～40 m時，工作面阻力有所增加，當工作面距空巷水平距離<20 m時，工作面液壓支架支護阻力最大達到39～40 MPa，下料巷液壓支架壓力比西副巷小7 MPa左右，工作面經過空巷后，壓力又恢復到正常值，說明采用充填過空巷的效果較好，能夠快速安全通過空巷。

4.3 圍巖深基點位移監測

巷道兩幫0～2 m范圍內淺部圍巖活動較為劇烈，主要因為淺部圍巖由塑性區轉化為破碎區，在頂板應力作用下向巷內位移，圍巖位移趨勢幾乎一致。相比于高水材料充填方式下的下料巷，木垛支護的西副巷圍巖活動更為劇烈，位移量增大，且圍巖活動穩定時間較下料巷長，主要原因為下料巷高水材料充填體對頂板形成主要支撐，圍巖持續變形，穩定時間長。

5 結語

綜采工作面過廢棄空巷一直是煤炭資源開采過程中的技術難題，深埋煤層中由于空巷的存在使空巷周圍出現復雜的應力分布，造成工作面支架受力大，煤壁片幫、冒頂嚴重，巷道圍巖表面變形量大等問題，嚴重影響了煤礦的安全，制約了煤炭資源的高效開采。現通過高水充填法過大采高綜采工作面空巷在一礦S8303工作面的成功應用，證明了高水充填過空巷技術是一種推進速度快、安全性高、經濟合理的技術，為大采高工作面安全通過空巷提出了新的技術路徑，不僅解決了綜采工作面過廢棄空巷這一技術難題，而且對陽泉礦區及其他礦區推廣大采高工作面過空巷快速技術和現代化礦井建設都將產生積極的影響。