超高回采巷道頂部柔膜袋快速充填技術

焦晉斌，孫如意

(1.晉城煤業集團 趙莊煤業， 山西 晉城 048000； 2.河南理工大學 能源科學與工程學院， 河南 焦作 454003)

回采巷道斷面多為橫長矩形，由于超挖或地質構造切割等因素，往往造成巷道超高[1-2]. 超高區巷道斷面大，形狀不規則，造成回采時超前區巷道支護困難，受工作面采動影響極易發生結構失穩、頂板冒落現象。對于超高巷道，常用的處理措施是頂部堆積井字形木垛支撐頂板，該方式運輸工作量大、工人勞動強度大，且井字木垛存在接頂不充分、承載能力低且易變形、單體支柱工作阻力小、受力不均等問題，加上頂板不均勻變形因素，井字木垛穩定性差，極易發生傾倒，誘發頂板事故，對工作面的安全回采構成威脅[3-5]. 針對陽泉煤業集團南莊煤礦回采巷道超高區進行快速充填技術研究，以保障頂板穩定，實現安全回采。

1 工程背景

陽泉煤業集團南莊煤礦8836工作面運輸巷，正常掘進斷面為4.6 m×2.9 m，沿煤層底板布置，全煤巷，煤層厚度約6 m. 在8836運輸巷掘進期間，由于一側為8826工作面采空區，煤體破碎嚴重，部分區域頂煤垮落，造成巷道超高。超高段的實際高度達到4.5～6 m，局部高度可達6.3 m，目前絕大部分超高區處于裸露狀態并未充填支護，超高段巷道長度約120 m，平均超高約2 m.

2 充填區域實測及充填柔膜袋設計

2.1 充填區域實測

在8836運輸巷超高區域選取3個充填區域進行斷面實測，從西(里)到東(外)，依次編號為1#充填區、2#充填區、3#充填區。3個充填區域巷道斷面實測見圖1，圖2.

圖1 1#充填區實測圖

1#充填區影響巷道長度南幫5 m，北幫5.7 m，西側巷道正常高度3.5 m，超高起始高度6.27 m，東側超高結束高度5.8 m，東側巷道正常高度4.5 m，東側西側巷高過渡均為臺階過渡。

圖2 2#、3#充填區實測圖

2#、3#充填區連續，根據巷道寬度變化分為兩段，2#位于西側，3#位于東側，2#充填區影響巷道長度5.6 m，西側正常巷高3.8 m，超高區巷高平均6.3 m；3#充填區影響巷道長度4.5 m，超高區巷高6.3 m過渡到東側正常巷高5.2 m，過渡段頂板均勻變坡過渡。

2.2 柔膜袋設計

柔膜袋采用完全阻燃、抗靜電的風筒布制作。3個充填區域均為不規則斷面，在以往的試驗中發現，柔膜袋形狀對現場使用效果影響很小而異形柔膜袋加工困難，因此，考慮一定的富余量，全部制作成規則的長方體，尺寸見表1.

表1 柔膜袋尺寸表

柔膜袋頂部四周均勻布置吊環，間距0.4 m，用于懸掛，頂部較高一側加工3個袖口，1個用于充氣/進料，2個用于排氣。以1#柔膜袋為例，設計見圖3.

圖3 1#柔膜袋示意圖

3 頂部快速充填方案

3.1 模板支設

以1#充填區為例，巷道寬度5.5 m，長度5.7 m，模板整體支設高度3.5 m. 模板支設流程如下：

1) 平臺搭設。

將4根長度不小于4 m紅松圓木分別固定架在巷道兩側，固定高度3.4 m；采用5.4 m長半圓木梁，搭設在固定好的兩側紅松圓木上，間距為600 mm；半圓木梁上鋪設木板、金屬網將底部進行封閉。

2) 柔膜袋吊掛。

將充填袋吊掛至頂板，為防止頂、幫部錨索扎破充填袋，用廢舊編織袋將錨索、錨桿進行包裹。吊掛結束后，半圓木梁下方采用單體柱支撐，一梁五柱，間距1.2 m，見圖4.

圖4 1#充填區域走向模板支設示意圖

3) 側向無約束空間處理。

充填袋西側邊界為臺階，可約束充填體變形，東側邊界由于巷道高度大，下方留有1 m高度無約束空間，見圖5，必須施加約束，防止充填過程中鼓出。

圖5 側向無約束空間處理示意圖

3.2 無機高水充填材料

無機高水充填材料為雙組份無機材料，分為A型和B型，A型主要成分為硫酸鋁鹽水泥、速凝劑、復合早強劑；B型主要成分為無水石膏、石灰、減水劑。具備完全阻燃，無毒腐蝕性、速凝早強、材料消耗量小、可遠距離泵送等性能優點，該材料能夠適用于(3∶1)～(6∶1)的水灰比，現場采用3∶1水灰比，膠凝時間10 min，2 h強度1.25 MPa，3 d強度2.12 MPa，28 d強度3.98 MPa，彈性模量2.92 GPa，變形模量1.79 GPa，泊松比0.27，材料消耗約305 kg/m3.

3.3 充填設備

采用河南力行科創礦山技術開發有限公司研發生產的GZJ-300型高速制漿機和QKSX-200型定量水箱進行充填。

高速制漿機采用渦輪攪拌，可以迅速攪拌均勻(30 s內)，同時利用離心力將漿液排出，而定量水箱通過氣動開關和浮球裝置，實現水量自動、精確控制，閥門關閉時自動蓄水，閥門打開時快速放水，二者配合，提高了制漿效率。制漿速度取決于人工下料速度，現場實際充填速度為16～20 m3/h.

GZJ-300高速制漿機參數為：使用容量300 L，制漿時間2 min，額定功率7.5 kW，整機重量380 kg，外形尺寸1 600 mm×1 000 mm×1 300 mm. QKSX-200型定量水箱參數為：容量200 L，氣壓0.2～0.6 MPa，加水泄水時間≤3 min，整機重量40 kg，外形尺寸600 mm×500 mm×600 mm.

3.4 分段充填工藝

由于充填體積大，為防漿液對模板產生巨大壓力，建議高度上分段充填，每次充填高度1 m，待第2天充填體強度顯著增長后，再進行第二段充填。

4 工程量及效果考察

1) 工程量。每天1班充填，平均充填速度18 m3/h，每班實際充填時間5～6 h，累計施工12天，充填空間1 104 m3，消耗充填材料80 t，設備緊湊，運行穩定，材料固化良好，充填過程順利。

2) 超前區頂板情況。在充填體下方單體柱上安裝10組單體柱壓力表，均勻布置，單體柱受力大小基本一致，約15 MPa，進入工作面超前區域時，普遍增大到20～22 MPa，說明充填體接頂充分；頂部充填體均勻緩慢下沉，未發生冒落現象，工作面順利通過。

3) 后方垮落情況。工作面支架后方，拆除單體柱和頂梁，充填體快速下沉、折斷，未在后方形成懸頂。

5 結 論

1) 現場無機高水充填材料采用3∶1水灰比，膠凝時間10 min，2 h強度1.25 MPa，3 d強度2.12 MPa，28 d強度3.98 MPa，材料消耗約305 kg/m3.

2) 高速制漿機能夠快速攪拌，定量水箱能夠自動、精確控制水量，實現快速制漿充填。

3) 在工作面超前區，充填體下方單體柱受力均勻、明顯，充填體接頂充分，通過充填區域時，頂板未發生急劇下沉、冒落現象，工作面后方充填體垮落效果良好，未形成懸頂。