盛鑫煤業地面灌注老巷充填技術研究與應用

馮海寧，祁 旭，楊 晉

（鄂爾多斯市盛鑫煤業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

長期以來，由于地質條件或開采技術水平的限制，許多小煤礦存在以掘代采的情況，對開采后的巷道未進行處理，形成大量的空巷，容易積聚瓦斯、老空水等[1-3]。布置綜采工作面后，在工作面超前支承壓力的影響下，老巷極易發生冒頂，誘發安全事故，嚴重影響安全生產。傳統的過老巷方式主要有重新開切眼、木垛支護、注漿加固等，在不同礦井得到了應用[4-6]。但傳統的過老巷方式存在成本高、效率低、對生產影響大的問題，推廣應用前景小。為此，結合內蒙古盛鑫煤業42201 工作面中存在的老巷問題，開展了老巷充填技術的研究，取得了較好的效果。

1 概 況

1.1 地質生產條件

盛鑫煤礦42201 工作面所采煤層為4-2 煤，煤層厚度1.62～2.70 m，平均厚度2.39 m，煤層結構簡單，頂底板巖性見表1。工作面寬216 m，傾斜長度1 384 m，標高為1 330—1 348 m，地面標高為1 388—1 435 m。工作面安裝Y10800/14/30 兩柱型掩護式液壓支架119 架，初撐力為7 916 kN，工作阻力為10 800 kN，支護強度為0.84～1.18 MPa，底板比壓為1.76～2.09 MPa。

表1 4-2 煤頂底板巖性Table 1 Roof and floor lithology of No.4-2 coal

1.2 工作面老巷情況

1.2.1 老巷位置

工作面范圍內存在小窯破壞區，曾經布置有綜采工作面切眼及巷道，但未回采。老巷與工作面的 位置關系如圖1 所示。

圖1 位置關系Fig.1 Position relation

1.2.2 老巷變形特征

由于42201 工作面回采范圍內空巷成巷時間較早，巷道變形量大。與兩個順槽老巷相比，老切巷由于巷道跨度大，斷面大，變形更為嚴重。切巷頂板呈現彎曲下沉，中間下沉量大，兩幫向巷道內鼓出，部分區域嚴重底臌，巷道斷面收縮率普遍在50%～60%，嚴重區域可達80%以上。巷道整體變形情況如圖2 所示。

圖2 老巷變形特征Fig.2 Deformation characteristics of old roadway

2 老巷充填設計

2.1 充填方案的確定

常規的老巷充填方式是在井下建立充填泵站，將充填材料運輸到井下，在工作面兩巷中制漿，將漿液充填到老巷中[7-8]。

盛鑫煤礦42201 工作面埋深較淺，在100 m 左右，為減小井下運輸量，擬采用地面灌漿充填方式。即在地面利用定向鉆孔施工至待充填的老巷中，在上方建立充填泵站，利用管路將漿體充填到老巷中。

2.2 充填材料的選擇

當前常用的老巷充填注漿材料主要有波雷因化學材料[9]、（似）膏體材料[10]和高水材料[11-13]等。與化學材料、膏體材料相比，高水材料具有工藝簡單、固體用量少、成本低的特點，適用于充填量較小老巷充填、巷道密閉等工程。

不同水固比、不同齡期的高水材料強度見表2[14-15]。

表2 高水材料強度Table 2 Strength of high water material

為實現對老巷頂板的有效支撐，要求充填體具有一定的強度，同時考慮到經濟因素，確定選用4.0∶1 的高水材料，7 d 強度可達1.2 MPa，最終強度可達2.3 MPa 以上。

2.3 地面充填站布置

高水材料由甲、乙兩種材料組成，使用時先分別制成漿體，單獨輸送，在距離充填地點一定距離時混合到一起，半小時左右混合液凝固支撐頂板，注漿設備布置如圖3 所示。

圖3 注漿設備配置示意Fig.3 Grouting equipment configuration

為方便注漿，在地面建設注漿站，占地范圍為50 m×50 m（長×寬），主要設備見表3。

表3 地面充填站主要設備Table 3 Main equipment of ground filling station

為滿足充填用水，在充填站建設蓄水池1 座，儲水量不小于120 m3，配備供水泵2 臺。充填站配電柜1 臺，所有電器設備均配套足夠的備件、線纜等相關配件。

2.4 充填鉆孔布置

在切巷及兩端頭布置充填鉆孔11 個，鉆孔開孔直徑為150 mm，施工過程中，在地表松散土層段下套管。鉆孔終孔位置在井下空巷處。鉆孔布置如圖4 所示。

圖4 充填鉆孔布置Fig.4 Layout of filling borehole

切巷長度為140 m，為保證充填效果，將兩順槽同時充填35 m，充填空間為2 000 m3，預計材料用量500 t。

3 現場應用

3.1 充填工藝

（1）連接管路。將輸料管路φ25 mm 高壓管連接好，并在注料口用鐵絲將隔水布的充填孔與輸料管路扎好。

（2）配料制漿。按4∶1 水固比制漿，啟動攪拌桶，先在攪拌桶中加水至固定位置，然后分別在攪拌桶中加入高水材料甲、乙料。單漿的攪拌時間不小于2 min。為保證連續注漿，在一個攪拌桶中的料漿輸送時，在另外一個攪拌桶中加水制漿。

（3）泵送充填。支撐完成后，啟動注漿泵開始充填。每次注漿前先注清水對管路進行潤滑，然后連接攪拌桶進行注漿。在兩趟單漿管路進入井下后，離帶充填老巷10 m 左右時，利用三通將管路連接到一起。

（4）管路清洗。在每次注漿結束后，需要對攪拌桶和注漿管路進行清洗。待攪拌桶中的水由渾濁逐漸變清時，視為清洗完成。

3.2 巷道兩側封堵

為減小漿液流失，需要對充填老巷兩側進行封堵。為此，在老順槽兩側35 m 處施工鉆孔，向巷道內注入化學漿液。由于化學漿液凝結速度快、并且膨脹倍數大，注入一定量后即可膨脹接頂，實現對巷道的密閉。

3.3 應用效果

在工作面回采之前對老巷進行充填，距離老切巷60 m 時充填結束，為驗證充填效果，在距離老切巷30 m 范圍內對支架工作阻力進行觀測記錄。結果表明，工作面在老巷前后支架工作阻力保持在8 500 kN 左右，變化較小，未發生明顯的片幫、冒頂。結果表明，充填的高水材料接頂較密實，對頂板的支撐效果好，保證了工作面的安全生產。

4 結論

（1）工作面回采區域內的老巷容易積聚瓦斯、老空水等，并且巷道冒頂壓縮，變形量大，存在嚴重的安全隱患。而傳統的重開切眼、木垛等加固方式存在成本高、效率低、對生產影響大的問題。

（2）高水材料具有工藝簡單、固體用量少、成本低的特點，適用于充填量較小的密閉工程，結合盛鑫煤業42201 工作面老空巷的具體情況，確定高水材料的水固比為4∶1。

（3）盛鑫煤礦采用地面灌注老巷充填的方式，環節較少、充填效果好，提高了煤炭資源的回收率，取得了較好的經濟和社會效益，適用于埋深較淺的老巷充填，具有廣闊的推廣應用前景。