空巷灌漿充填技術在岳城煤礦1307工作面應用

楊江波

（山西晉煤集團沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006）

井下開采時，經常遇到非正常開采或井田設計變更留下的空巷。該類巷道受長時間煤層擠壓和采動影響，原先支護已普遍失效。當工作面回采至空巷區域時，極易因采動原因造成空巷頂板下沉，對工作面生產造成很大制約，甚至引發工作面大面積冒頂事故[1]。因此采取有效措施完善空巷支護，保障工作面能夠安全順利的通過，對于建設安全高效礦井具有重要意義。

1 工作面概況

岳城礦為資源整合礦井，井田范圍內已探明存在多條小煤礦遺留空巷。東翼1307工作面東為礦界，西為2301工作面（已回采），北為1306工作面，南為1308工作面（未開采），其頂底板情況見表1。

表1 1307工作面煤層頂底板情況

1307工作面開采3#煤層，3#煤層底板標高為+376.5～+408.8 m，煤層平均厚度6.26 m，煤層傾角為1°～4°，平均3°。工作面走向長度總長1662.7 m，傾向長度為195.5 m。工作面采用走向長壁、后退式綜合機械化放頂煤采煤法，機采高度3 m，放煤高度3 m。全部垮落法管理頂板。工作面距離切眼前方270 m左右處有兩條小煤礦空巷平行于工作面切眼，空巷沿煤層頂板掘進，其底板基本與支架頂梁處于同一水平高度，這意味著當工作面推進到此位置時，支架頂部距頂板有3 m高懸空距離，前方有跨度4.7 m（閉鎖巷寬度）的空頂距。兩巷相距14 m（邊對邊）左右，巷高3.3 m，寬4.6 m，矩形斷面，長度194 m（邊對邊）。其巷道布置見圖1。

圖1 1307綜放工作面巷道布置

1307綜放工作面回采方向與小礦空巷正交，必須對空巷前后圍巖及時控制，防止因空巷坍塌導致工作面大面積冒頂，確保工作面正常回采。通過分析工作面一次揭露空巷方式下的礦壓規律，編制空巷充填設計方案，進行空巷充填工業性試驗和效果考察分析。

2 數值模擬分析

利用FLAC3D軟件對1307工作面前方小礦空巷應力分布進行數值模擬，見圖2。

圖2 FLAC3D數值模擬設置界面

經過數值模擬，小礦空巷的存在使工作面支承應力重新分布，并在空巷前后呈現“W”雙拱形分布，空巷上部圍巖應力值接近12 MPa，其位置位于空巷靠近切眼方向5 m左右，見圖3。

圖3 距切眼方向5 m“W”型應力分布

綜合考慮充填體受力特點、充填材料消耗成本這兩個因素，對充填體強度1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa分別進行數值模擬分析，并施加支架頂梁支護強度0.85 MPa。由數值模擬初步判斷，充填體強度應大于2 MPa，且充填體強度越大，工作面前方煤巖體的塑性破壞程度越小，對于工作面推進至空巷充填區域的安全保證性越強。同時綜合材料成本分析得出，選擇材料水灰比3∶1較為合適。既能保證充填體較好的受力特性，同時又能夠最大程度的降低工程成本[2]。

3 充填方案設計

計劃在空巷與工作面重合交接處設置擋墻，通過鉆孔插管灌注漿料，對空巷實行全部充填。

3.1 擋墻施工

下部擋墻分兩個階段實施，第一階段高度2.8 m，預留0.5 m的通風空間，目的是確保通風，人員可以進入查看漿液流動以及凝固情況。在空巷與13071巷交叉口以里5 m位置施工一道木板墻，板墻內部表面鋪廢舊風筒布，以防止板縫漏漿，木板墻外部架設單體柱，單體柱間距0.6 m，緊貼板墻設置，防止板墻被推到。木板墻四周與煤壁接觸處的間隙部分用編織袋或棉紗堵實，充填體長度超過24 m后，充填液面即將達到第一階段施工的擋墻高度2.8 m處，此時將板墻頂部剩余的0.5 m部分完全封閉，同時將上部擋墻也完全封閉，停止通風，禁止人員進入。

3.2 管路鋪設

輸漿管路采用直徑50 mm高壓膠管及部分蛇形管，混合管長度20 m。充填采用流量為700 L/min的雙液充填泵。輸漿管路為2條，通過三通或者人工加工Y型混合器，將漿液混合成一趟管，通過混合管將漿液充分混合。根據充填過程，逐步接長充填管路，初步計算共需高壓膠管20根，每根30 m。在巷幫鋪設一組（兩趟）蛇形管，以作為充填管路使用，管路鋪設過程中應注意吊掛平直、無起伏。

3.3 灌注鉆孔施工及封孔

在巷幫施工鉆孔，鉆孔成水平角度施工或略帶1°～3°仰角穿透煤柱到達空巷，鉆孔間距20 m，需施工8個鉆孔。鉆孔直徑75 mm，鉆孔內插直徑38 mm的高壓膠管，高壓膠管2根，每根10 m[3]。將高壓膠管出漿口吊掛在頂板最高處。

3.4 充填檢查孔施工及封孔

為了防止堵管或局部接頂不佳，間隔60 m施工檢查孔，施工方法與灌注孔相同，只是作為返漿觀察孔，也可以作為補充灌注孔。分別在下部巷口以里60 m、120 m、170 m位置施工，此3個觀察孔位于巷道局部高點施工，終孔位置最好位于空巷頂部。檢查孔插管及封孔與充填孔一致，見圖4。

圖4 灌漿孔及檢查孔布置

3.5 材料用量計算

綜合考慮工程實際情況和經濟效益，本次充填設計為空巷內部空間一次充填，充填材料水灰比3∶1；并考慮5%的材料富余系數。充填材料在使用水灰比3∶1的條件下，每立方米充填體需要使用充填材料305 kg，單條閉鎖巷使用材料計算為：

3.3 m×4.6 m×194 m×305 kg/m3=898.2 t

則兩條空巷使用充填材料總量1796.4 t。考慮5%的富余系數，則預計本次充填所需使用的充填材料總量約為1796.4×1.05=1886.2 t。

4 現場驗證

空巷區域位置為機頭277～300.6 m，機尾275～299.6 m，工作面于2017年7月17日自工作面機尾部分開始進入充填空巷區域，至7月26日工作面完全通過充填空巷，整個過程共歷時9天。工作面過空巷區域現場照片見圖5。

圖5 工作面過空巷機頭、架間區域現場照片

從現場照片可以看出，工作面頂板、兩幫均未出現明顯下沉，支架初撐力、末阻力、頂板周期來壓情況均與正常回采階段無明顯差別，說明空巷充填有效保證了工作面通過空巷充填區域的安全性。采用現場監測的方法，對工作面過充填空巷區域時的兩順槽變形情況進行了觀測統計。觀測分析發現，工作面通過充填空巷區域期間，工作面兩順槽巷道中的頂板下沉量最大值為146.8 mm，底鼓量最大值為195.2 mm，左幫鼓出量最大值為49.8 mm，右幫鼓出量最大值為82.2 mm，滿足規程及設計要求。

5 結語

按照充填方案對空巷進行了完全充填，總計歷時29天，共使用充填材料2101.54 t。工作面通過充填空巷區域期間，工作面兩順槽巷道頂底板、兩幫圍巖變形量滿足規程及設計要求。工作面過空巷階段的支架初撐力、末阻力、頂板周期來壓情況均與正常回采階段無明顯差別。巷道內部充填體與煤巖體形成整體，共同承擔工作面采動影響造成的應力作用，減少了巷道圍巖的塑性破壞，實現了工作面安全回采。