房采采空區充填技術應用研究

馬金奎 鄭立永

（北京天地華泰礦業管理股份有限公司，北京 100013)

我國許多礦區井下存在大量的老巷和房采采空區。在回采工作面正常推進過程中，工作面經過遺留老巷、房采采空區容易發生支架壓死、倒架等事故，尤其以山西平朔、神東礦區等地區為主，不僅對井下人員生命造成威脅，也給回采工作增加很大難度，嚴重制約礦井安全生產[1]。采煤工作面如何通過空巷、老空區一直是生產技術難題，目前傳統防治手段主要是木垛支護、單體支柱支護和錨桿錨索等支護方式[2]。謝生榮等[3]通過分析綜放工作面過空巷時支架-圍巖穩定性，提出在過空巷過程中采取停采等壓、加強支護、注漿固結等措施。徐青云等[4]揭示空巷頂板穩定機理，確定頂板破斷產生滑落失穩是造成壓架的主要原因，進而采取最優高水材料充填穩定空巷頂板。

本文以五家溝煤礦15304綜放面為工程背景，在工作面主運巷道掘進過程中，揭露并探查老巷內部存在漏頂面積較大的房采采空區，這種未支護以及支護不足的老巷、房采采空區給綜放回采工作增加很多困難。本文依據實際情況進行研究，研究結果為此類問題處理提供參考。

1 工作面概況

五家溝煤礦15304工作面布置在5-1號煤層，埋深114 m，煤層平均傾角2°，煤層平均厚度7.2 m，采用綜采放頂煤工藝進行回采。工作面傾向長度為240 m，走向長度為1136 m。工作面地質條件簡單，煤層上方直接頂為中砂巖，平均厚度4 m，基本頂為粗砂巖，平均厚度17 m。

工作面北部為15302采空區，東部為原高山采空區，南部為15306設計工作面，西部為530采區三條大巷，地表多為農田荒山及荒地，地面有封閉的原高山煤礦主井、風井工業廣場廢棄井筒。在15304主、輔運順槽掘進過程中，經探測發現工作面存在兩處老巷群，圖1中標注區域為礦井遺留巷道及采空區。

圖1 工作面布置示意圖

經探查揭露的老巷群為整合前煤礦所遺留，采用房柱式開采方法致工作面內部存在多次連續房采采空區及聯巷。本文主要研究圖1標注所示區域，區域內共有房采采空區5個。1、2、4號房采采空區為29.33 m×8.16 m×8 m（長×寬×高）；3、5號房采采空區為23.46 m×6 m×8 m；遺留老巷共長900 m，巷寬3.5 m，巷高3 m。

2 空巷頂板失穩機理及充填原理

2.1 上覆巖層活動規律及頂板失穩機理

當大采高工作面前方存在空巷時，工作面易發生切頂壓架事故。單獨研究老巷群的部分，900 m空巷基本為走向空巷，其高跨比[5]是影響圍巖穩定的關鍵因素。工作面推進過程中，在采動應力影響下，原本的圍巖平衡狀態被破壞，會經歷巷道初始變形、頂板離層變形、幫部變形及頂板垮落破壞，如圖2。

圖2 空巷變形破壞過程

如圖3所示，當工作面前方距離房采采空區越近時，煤柱寬度減小，而房采采空區內部無支護，無法穩定控制頂板，裂隙由房采采空區上方導通至基本頂，煤柱在頂板及載荷的作用下發生失穩，基本頂提前破斷，關鍵塊的長度增加，形成鉸接梁結構，致其發生滑落失穩，如圖4所示。工作面支架承受載荷變大，支承應力最大值位于工作面上方，遠遠大于支架初撐力。

圖3 正常推進頂板滯后破斷示意

圖4 頂板超前破斷工作面壓架示意

2.2 空巷充填加固原理

此方法主要步驟是先將鉆孔從地表打孔至采空區，通過注漿泵將水泥、粉煤灰混合漿液沿預先埋置好的注漿管道注入房采采空區，混合漿液充分固化后會逐漸形成結石體，并與采空區圍巖及頂底板充分接觸，以抑制采空區上覆巖層的移動。

3 方案經濟技術分析

針對本礦井的老巷及房采采空區的特點，主要建立以下三種技術方案，具體措施見表1。

表1 老巷及房采采空區加固方案

從技術和經濟因素方面對三種方案進行對比分析。

從技術角度分析，由于房采采空區漏頂面積大，高度高，施工難度大，支護困難，并且房采采空區內部無支護，進入內部支護危險系數大，方案一中采取的支護措施難以完成。方案二采取全部充填的加固方式，由于房采采空區內部垮落高度不一致，老巷高度遠遠低于房采采空區，充填過程中無法進行觀測，不能確定內部是否充填完全，且管路出現故障不利于維護，由于房采采空區眾多，高度不一，需要采取地面打孔直接注漿的加固方式。方案三對老巷采取聯合支護方式，支護完善后，便于布置管路、觀察充填情況以及后期維護管路。因此方案二、三的加固方式在技術角度可行。

通過比對分析方案二、方案三。材料費主要包括充填材料及支護材料，人工費包括人工支護及材料運輸。由上文可知房采采空區體積約15 751 m3，老巷體積約為7875 m3。充填單價為148元/m3，此外還有施工注漿孔、取水孔及封堵墻等費用。具體費用對比情況見表2。

表2 老巷及房采采空區加固方案經濟效益分析

由表2可知，在技術可行的情況下方案三比方案二能夠節省約15萬元，因此加固方案選擇方案三。

4 充填材料配比研究

注漿材料的選擇是整個注漿技術的關鍵環節，對充填后整個結石體穩定性有根本影響作用。主要是通過分析水泥、粉煤灰等各組分材料對混合漿液性能的影響，通過各種材料不同配比試驗，研究漿液粘度、結石率對強度的影響。注漿材料：水泥采用P.032.5硅酸鹽水泥；粉煤灰采用電廠出廠的干灰；試驗用水為自來水。

本次試驗各材料配比比例均為重量比，水泥和粉煤灰用量分別固定為固體材料質量的30%和70%，水灰比取1:0.8、1:1.2、1:1.5。漿液配比完成并靜置28 d后，進行強度試驗，結果見表3。

表3 注漿材料不同配比試驗結果

本次試驗水泥-粉煤灰漿液各項物理特性受水灰比的影響較大。水灰比在1:0.8時，漿液黏度小，結石率低，強度也較?。凰冶冗_到1:1.5時，漿液的粘度明顯增大，流動性降低，但強度明顯增加。水灰比越大漿液粘度越低，漿液具有良好的流動性，使漿液更容易泵送以及在裂隙中擴散；水灰比越小漿液結石率提高，強度隨水灰比減小而增大。

5 現場加固方案實施

經過技術經濟分析，最佳的加固方案為方案三：老巷采用錨桿-錨索-金屬網-鋼筋梯-W鋼帶進行聯合支護，房采采空區采用充填粉煤灰和水泥混合物全充填注漿方式進行加固。

5.1 老巷加固方案

老巷內頂板及幫部比較破碎，頂板支護采用錨桿-錨索-金屬網-鋼筋梯-W鋼帶聯合支護，錨桿間排距800 mm×1000 mm，每排5根，錨索間排距2000 mm×3000 mm，幫部支護采用錨桿-金屬網聯合支護，間排距1200 mm×1000 mm，距頂300 mm，每幫2根錨桿。

5.2 注漿管路布置

通過地面鉆孔向井下輔運順槽內施工2個注漿孔，采用地面集中供漿，經井下順槽及老巷內布置2趟注漿管，注漿管路經主運巷道鋪設至與老巷內部房采采空區閉墻外，再與PVC管連接吊掛在每個房采采空區最高點，將漿液輸送至房采采空區進行注漿填充。注漿管路具體布置方式及充擋墻位置如圖5所示，圖中陰影線表示注漿管路鋪設，加粗邊界為充填擋墻位置。

圖5 注漿管布置及充填擋墻位置示意圖

5.3 注漿充填方案實施

充填擋墻構筑完成后，為保證充填效果及充填體與煤柱煤體充分膠結，提高漿液的利用率，房采采空區內部充填采用分層注漿充填。分層注漿充填保證下分層漿液凝固后滿足工作面安全生產要求，上分層滿足接頂需求，工作面推進過程中，頂板不會大面積垮落，不會威脅工作面生產。

房采采空區內部充填采取分層充填，根據層位對充填后粉煤灰-煤巖結實體的物理力學性能要求，即充填的每層漿液采用不同的水灰比。將房采采空區分為上下兩層，下層為壓力承載層，上層為接頂膠結層。兩分層充填采取不同的水灰比，壓力承載層水灰比采用1:1.5，接頂膠結層水灰比采用1:（1.0～1.2）。

6 結論

（1）理論研究了空巷上覆巖層活動規律和頂板失穩破斷機理，分析了空巷注漿加固原理，并提出了針對房采采空區的分層注漿充填加固方案。

（2）對比分析不同方案的經濟技術可行性，確定加固方案：老巷采用錨桿-錨索-金屬網-鋼筋梯-W鋼帶聯合支護，房采采空區采用粉煤灰-水泥材料進行分區域、分層充填。

（3）現場實施注漿充填加固方案，房采采空區充填下分層灰比為1:1.5，上分層水灰比為1:（1.0～1.2）。工程實施中取得良好效果，保證了工作面過空巷及房采采空區期間頂板及圍巖的穩定性。