荊寶煤業老空區充填探究

趙健春

(晉能控股煤業集團 荊寶煤業有限公司，山西 長治 046200)

1 項目背景

三元古韓荊寶煤業有限公司是山西煤炭運銷集團兼并重組整合的礦井，核定批復生產能力為120萬t/a，井田面積為10.605 3 km2，采礦許可證載明開采3～15號煤層，煤層埋藏標高為：3號煤層+500.00～+940.00 m，15號煤層+380.00～+830.00 m。現開采3號煤層。礦井采用傾斜長壁后退式綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板，掘進工作面為綜掘。

經過多年開采，荊寶煤業的3號煤層已所剩無幾，而15號煤層為高硫煤，開采價值不高。在確保礦井效益的基礎上，為有效延長礦井服務年限，荊寶煤業對三采區的開采進行了調整部署。

荊寶煤業三采區機軌巷與回風巷沿北西-南東向布置，兩巷掘進1 500 m左右后，拐彎向南繼續布置巷道至風氧化帶保護煤柱為止。目前，機軌巷已掘進1 400 m，回風巷已掘進1 030 m。由于三采區內資源受小煤窯破壞較嚴重，機軌巷與回風巷掘進過程中揭露多條舊巷和老空區，且舊巷和老空區內存在積水，對三采區頂板、水害、有毒有害氣體的管理造成了相當大的困難。鑒于此，荊寶煤業擬采用鋁基高固水材料對老空進行充填，以確保掘進巷道順利穿過老空。

2 鋁基高固水材料

鋁基高固水系材料是指水體積份額可達95%～97%(水灰比約6.5∶1～11∶1)的水硬性材料。該材料的主體物料由A料、B料組成。

鋁基高固水材料A料、B料，在兩個獨立的盛滿水的攪拌桶內充分攪拌后，通過兩趟獨立的管路在老空區附近混合后注入老空，凝固后形成的主要產物是鈣礬石。其性能主要取決于鈣礬石生成量的多少、鈣礬石的形成速率及穩定性。

該材料屬于早強、快硬型的膠結材料，初凝與終凝時間很近。水固比越大，凝結時間越長，反之越短。其在水灰比3∶1的條件下，初凝時間為2 min，以控制漿液自由流動4～7 m范圍，材料7 d后強度增長緩慢,凝固強度為2～4 MPa。

3 鋁基高固水材料采空區充填方法

對不同形態的采空區進行充填時，要有與其相適應的充填方法與充填工藝。鋁基高固水材料充入采空區有兩種途徑：一是開放式充填方法，即將鋁基高固水材料輸送至采空區后，讓其自然流淌與漫溢；二是通過鉆孔向采空區進行管道灌注。

3.1 開放式充填方法

開放式充填方法，是在能夠觀察到揭露的空巷且采空區未垮落的情況下對采空區不進行任何調控，即允許采空區上覆巖層部分垮落，空巷完全處于開放與自由狀態的充填方式。

在進行充填的過程中，采空區的鋁基高固水材料漿體將會逐漸固化。將固化過程分成四個階段：初凝階段、過渡階段、固化基本完成階段與固化完成階段，如圖1所示。

圖1 注漿充填體固化階段劃分示意

3.2 鉆孔式注漿充填法

鉆孔式注漿充填法是在未揭露已探測的空巷情況下，對采空區進行鉆孔注漿充填加固，使得老空內垮落的矸石、煤塊(煤粉)與周圍煤體成為一個整體，防止片幫冒頂，提高施工效率。

在掘進到距離老空區5 m時停止掘進，從工作面迎頭位置向前施工注漿鉆孔，注漿鉆孔探透老空區后，鋪設相應管道，對老空區進行注漿充填施工。隨后根據老空區的充填情況，及時調整注漿量，必要時補打鉆孔對老空區注漿充填，直至將掘進范圍內老空區內垮落的巖石和煤體膠結為一體，如圖2所示。

圖2 鉆孔式注漿充填法示意

4 采區老空充填實踐

2019年10月22日8點班和4點班，在三采區回風巷四段開口處進行探放水鉆探作業，鉆探結果顯示前方40 m為老空(1號老空)。

2020年1月1日開始掘進，掘至距老空1 m時，從巷道窩頭傾斜向上施工1個斷面為1 m2的探巷打通老空，觀察老空內頂板垮落高度、積水、積氣等情況，初步確定老空規格為15 m(橫向跨度)×10 m(縱向跨度)×5.6 m(高度)。

2020年1月5日，對小端面探巷采用磚塊進行封堵，并對工作面迎頭3 m范圍內巷道頂板、兩幫及小孔處采用羅克休進行噴射，將破碎煤體縫隙封堵嚴實，防止后期漿液從縫隙中跑漏。

2020年1月14日4點班開始打設鉆孔，對老空區進行開放式注漿充填。

共布置3個注漿充填鉆孔。1號孔方位角為迎頭正前方布置，與巷道水平夾角0°、傾角22°,2號、3號孔分別與巷道水平夾角為10°、傾角為22°。

將注漿泵安裝在三采區機軌巷距三采區回風巷掘進工作面最近的地點，將1趟2寸鋼管鋪設至掘進頭，并用軟管與注漿孔預埋管路連接，預埋的管路與注漿孔縫隙要封堵嚴實。充填過程中要隨時觀察漿液跑漏情況，防止漿液從頂板破碎縫隙或因封孔不嚴造成跑漏，同時觀察注漿泵壓力情況，確保充填強度達標。

充填結束后3～5 d要打設驗證孔，對充填效果進行驗證，驗證凝結硬度和充填料接頂情況。大約5～7 d后，充填凝結效果達標，方可掘進通過老空區。

1號老空區充填驗證達標后，三采區回風巷掘進穿過老空，期間偶爾遇到垮落凝固碎石，需緩慢截割，過空期間采用錨網索+工字鋼棚復合支護，最終順利通過老空。

圖3 三采區回風巷老空充填施工現場

5 結 語

充填過老空方式成功解決了費時、費力且頂板管理、積水積氣管理難度大等問題。順利穿過1號老空區后，通過鉆探驗證，該老空縱向跨度為10 m，頂板垮落巖石約3 m，充填材料兩側流動距離約為10 m。

通過順利穿過1號老空區，為通過后續老空區積累了豐富經驗。