新元礦巷道矸石充填技術研究與應用

劉小軍

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

1 概況

山西陽煤集團新元煤礦生產能力為270 萬t/a，主采煤層為3 號煤和9 號煤。隨著生產能力的增大和開采年限的延長，新元礦的開采水平不斷延伸。目前，3 號煤的埋藏深度已經超過600 m。新元礦為煤與瓦斯突出礦井，9 號煤工作面回采之間需要進行瓦斯抽采，內錯尾巷和高抽巷都布置在煤層上方的巖層中，并且為方便巷道維護，正在施工的9號煤回風大巷也布置在巖層中，該巷道采用盾構機施工，日進尺15 m，月產矸石1.5 萬t。為此，新元礦在工業廣場9 號煤中掘進巷道，就地處理井下矸石。9 號煤層的平均厚度3.4 m，平均傾角2°，頂底板巖性如圖1 所示。

圖1 9 號煤頂底板巖性Fig.1 Lithology of roof and floor of No.9 coal seam

2 巷道矸石充填系統布置

2.1 采充巷道布置

按綜采工作面的巷道布置方式掘進巷道，如圖2 所示。為減少充填與掘進的相互干擾，實現平行作業，在充填區域內間隔掘進巷道。當一條巷道掘進結束后，立即進行密閉、充填。

如圖2 所示，按工作面布置的方式開掘工作面上下巷和開切眼。工作面采用間隔跳采，全部回收的方式。在區域中部開掘1 條支巷，將區段劃分為2 部分，在兩側分別掘進副巷出煤充填。下一個巷道與該巷道之間預留一段保護煤柱，下一條巷道掘進時，上一條已經掘進的巷道為備充巷道，對巷道進行充填。第一階段的巷道掘進結束后，在前兩個巷道保護煤柱之間進行第二階段的掘進充填，直至將所有煤柱回收。這樣，在整成區域內形成“一采一充”開采方式，采充在2 個巷道內進行，平行作業，提高了生產效率。

圖2 掘充巷道布置示意Fig.2 Layout of excavation and filling roadway

2.2 巷道支護設計

由于巷道內的充填材料為主要的承載體，巷道支護的目的是為了后期充填作業的安全，因此，與回采順槽相比，可適當降低支護強度，其支護方案如圖3 所示。

（1）頂板支護。頂錨桿為φ20 mm×2 200 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每根錨桿使用2 卷CK2335 樹脂藥卷錨固，頂錨桿的間距如圖3 所示，排距為1 000 mm。每個斷面布置6 根頂錨桿，最外側2 根錨桿向外傾斜15°。頂錨索為φ15.6×6 300 mm 的鋼絞線，錨索鉆孔深度為6 000 mm，每根錨索使用3 卷CK2360 樹脂錨固劑錨固，錨索呈五花布置，排距為1 000 mm，同斷面的2 根錨索間距為3 000 mm。

圖3 充填巷支護方案Fig.3 Filling roadway support scheme

（2）兩幫支護。巷道兩幫采用φ20 mm×2 000 mm 全螺紋錨桿，使用1 卷CK2360 樹脂錨固劑錨固，每個斷面布置8 根幫錨桿，最上位和最下位錨桿分別向頂板和底板方向傾斜15°，排距為1 000 mm×1 000 mm。

3 現場應用

3.1 充填方式的確定

按第一階段結束后，中間煤柱的受力最大，此時的受力可作為充填體的強度指標。建立如圖4 所示的力學模型。

圖4 充填體受載示意Fig.4 Loading diagram of filling body

充填體所需強度計算見式（1）。

式中：σp為充填體按所需強度，Pa；γ 為頂板巖層的密度，N/m3；h 為巷道頂板的下沉量，m；a 為充填體寬度，m；b 為兩側充填體的寬度，m。

根據新元礦9 號煤的實際情況，代入計算可得，充填體所需強度為3.1 MPa。

如果采用散裝的矸石固體充填，由于矸石之間沒有膠結，難以達到強度要求，為此在矸石充填結束后采用高水材料進行補充注漿充填，即采用矸石充填+高水注漿相結合的方式。

3.2 開采工藝

開采工藝分為巷道掘進和充填2 部分，巷道掘進出煤與常規的巷道掘進相同。

為提高充填效果，在巷道矸石充填之后對巷道進行注漿補充充填。因此，巷道充填主要分為2 部分，首先是巷道矸石充填，然后采用高水材料進行注漿。

3.2.1 巷道矸石充填

巷道矸石充填的主要設備為拋矸機，拋矸機的拋矸皮帶可左右擺動，最大擺動角度為15°，帶速為3.15 m/s。

（1）巷道掘進完成以后，在巷道一側施工擋墻，同時在巷道頂板安設注漿使用的花管。

（2）將運矸設備開啟，打開高速拋矸機，利用拋矸機將矸石投至巷道內，由擋墻處開始，向外充填。

（3）當巷道內的矸石堆積至一定高度后，拋矸機左右搖擺，將5 m 寬的巷道斷面全部充填。

（4）拋矸機的前后伸縮距離為3 m，因此一個充填步距可充填3 m 的巷道，一個步距結束后，收縮輸送機，準備下一次的充填。

3.2.2 高水材料充填

高水材料是一種類水泥材料，由A、B 組分組成，兩種組分的單漿液不凝固，其流動性好，混合后凝固速度快，用于補充充填可以將散裝矸石膠結到一起，提高頂板支護效果。矸石充填結束后，在巷道另一側施工擋墻，并預留注漿管和觀察孔。

高水材料充填的主要設備為充填泵和攪拌桶，主要的設備型號見表1。

表1 高水注漿主要設備Table 1 Main equipment for high water grouting

高水材料注漿的流程如圖5 所示。

圖5 高水材料注漿流程Fig.5 Process of high water material grouting

（1）攪拌制漿。考慮到凝固時間及強度的要求，將高水材料的水灰比確定為5∶1，按此比例分別在A、B 攪拌桶中加水加料，攪拌時間不得低于3 min，當1 號、3 號攪拌桶中的漿液輸送時，2號、4 號開始制漿，保證連續制漿輸送。

（2）漿液輸送。制備好的A、B 漿液經輸送泵輸送至充填矸石的巷道中，進入密閉巷道之前，利用Y 形三通將2 種漿液混合到一起。

（3）停止注漿。當觀察孔中有漿液流出時，停止注漿，同時卸下三通，為下個巷道注漿使用，同時將觀察孔封閉。

（4）管路清洗。每次注漿結束后，都要利用清水對充填泵和管路進行清洗，混漿管中流出清水時結束清洗。

4 應用效果

4.1 煤柱應力實測

在進行第一階段巷道掘進過程中，采用KSE-Ⅱ-1 型鉆孔應力計對煤柱應力進行觀測。一共設置3 個鉆孔，鉆孔的間距為50 m，每個鉆孔內安裝3 個應力計，深度分別為1、3、5 m。

2 號鉆孔內的應力計隨時間的變化規律如圖6所示。

圖6 2 號鉆孔應力觀測結果Fig.6 Stress observation results of borehole 2

由觀測結果可以看出，不同深度鉆孔應力計的變化規律基本相同，隨著時間的延長，應力緩慢逐漸增長，40 d 左右煤體受力達到穩定，1 號應力計的觀測值最大，為2.1 MPa。

4.2 地表沉降觀測

4.2.1 地表沉降預計

參考工作面回采的方法對地面下沉進行預計。由于巷道內進行了充填，相當于降低了采高，因此工作面高度應用等效采高來計算[5-6]。

式中：m 為充填巷高度，m；η 為矸石和高水混合材料的壓縮率；δ 為巷道頂板下沉量，m；△為充填未接頂量，m。

根據新元礦9 號煤的實際情況，代入計算可得，預計地面最大下沉量為29 mm。

4.2.2 實際觀測結果

在地面設置測線，埋深基樁，對地面沉降進行觀測。觀測表明，第一階段的巷道掘進過程中，地面下沉量較少，下沉速度緩慢，第二階段巷道掘進及充填后，地面下沉速度增加，最終下沉量為32 mm，下沉速度約為0.8 m/d，傾斜值為0.9 mm/m，地面工業廣場辦公樓穩定，無裂縫產生。

5 結論

（1）新元礦9 號煤巷道充填所需的充填體強度不小于3.1 MPa，散裝矸石難以達到，需要在矸石充填的基礎上利用高水材料進行補充注漿。

（2）由于巷道內充填體的存在，因此地面沉降預計應以等效采高計算，等效采高的大小與材料壓縮率、頂板下沉量、充填未接頂量等有關。

（3）新元礦矸石井下采用掘進巷道的方式就地處理，提高了煤炭資源的回收率，保證了地面建筑物的穩定，為煤礦綠色開采提供了個新的途徑。