綜放工作面老巷充填工藝設計與圍巖控制研究

1.工程概況

某煤礦1301-2綜放工作面 （圖1）面長 300m ，走向長度 530m ，可采儲量121萬噸，煤層傾角5至 9^° ，平均煤厚6.8m ，中間巷長度 775m ，斷面 20m² 煤層頂底板均為強沖擊。1301-2綜放工作面北部以一采區大巷保護煤柱為界與礦井一采區軌道下山為鄰，西部與1300工作面采空區相鄰，南部以 460m 煤柱為間隔與1301工作面采空區為鄰，東部則以 230m 煤柱為間隔與1303工作面相鄰。工作面中部布置一條貫穿整個工作面的中間巷，受中間巷切割影響，工作面上部 80m 煤柱形成孤島，回采期間超前動壓與西側采空區側向壓力疊加，極易導致老巷發生大面積抽冒和沖擊地壓。為解決中間巷頂板控制及沖擊地壓防治難題，對中間巷進行了整體灌槳充實。

2.充填方案

2.1技術可行性分析

2.1.1自流條件分析

可知，灌漿系統自流到中間巷管道不會產生失流堵塞現象。

自地面至1301-2綜放工作面中間巷上端端口，注漿充填垂距 900m ，平距 2250m 根據充填倍線計算公式：

式中，N-充填倍線;

L-充填系統水平管道、豎直管道及彎管等總長度，m;H-充填系統管道入口與出口的垂直高差，m。

代入相關數值，得到 N=2.5

根據充填倍線定義，當 Nlt;5 時，則充填料槳可以實現自流。因此，從地面注漿，漿液具備自流條件，無需額外動力輸送。

2.1.2管道承壓分析

施工前，對灌漿系統進行了注水打壓試驗，系統敷設管路打壓5MPa，持續24小時，無跑冒滴漏情況，灌漿設計按照系統壓力不大于2MPa進行預警，大于預警值后地面智能灌漿系統自動減流量降壓，因此，管道承壓滿足要求。

2.1.3漿液失流分析

現場試驗，漿液從地面自流至中間巷注漿地點用時約 15min ，出口水流量大約為 65m³/h ，地面對漿液同步進行取樣試驗，失流時間 40min ，初凝時間60min ，終凝時間 180min ，通過實驗綜上分析，構建系統滿足施工要求。

2.2漿液配比設計

通過采場類比法，實測該煤礦受采動集中應力影響，工作面前方空巷壓力一般不會超過 2MPa 通過20組漿液配比實驗，發現水灰比0.8：1的情況下，28天單軸和三軸壓縮應力-應變曲線，粉煤灰灌漿材料28天單軸抗壓強度可達6MPa，粉煤灰灌漿材料可通過改變水泥摻量滿足材料強度要求，本次灌漿粉煤灰、水泥、添加劑及水的重量比為15：4：1：16。

2.3灌漿系統設計

利用地面災害治理中心智能灌漿系統，將二級粉煤灰、PO42.5水泥、小料及添加劑，按設計配比將數據輸入至機載電腦中，將地面三個100噸罐體分別動態注入粉煤灰、水泥和添加劑，操作人員按下一鍵啟停鍵后，系統按照設計配比進行智能精準制漿，制漿后轉存至儲漿罐，通過地面自流至井下中間巷迎頭。當班注漿完成后，將充填管路閥門關閉，打開排水管路閥門，將沖管污水排到1301-2綜放工作面中間巷門口沉淀池，利用池中水泵向外排水至一采回風下山排水管路。

? 圖2：老巷粉煤灰充填灌漿系統圖。老巷粉煤灰充填灌漿系統圖（圖2）。

3.灌漿充填施工

3.1灌漿充填施工工藝

（1）施工前，地面灌漿站人員與井下灌漿人員各自檢查設備完好情況，雙方電話確認無誤后，開始加水試機，沖洗潤滑管路系統，檢查出口水壓與水量是否發生異常變化。

（2）按照設定配比攪拌制漿、轉存與排漿。排漿前，雙方電話確認，是否可以灌漿。

（3）地面停止灌漿前，雙方電話確認，根據漿液在管路中運行時間，確定管路漿液外排時間。

（4）充填工藝

① 罐車運輸的粉煤灰、水泥、添加劑分別放入倉儲中，備足當班使用量；速凝劑運至中間巷門口制漿注入。② 根據設定配比自動往高速攪拌系統中加入定量水，開啟攪拌機。③ 定量上料系統自動按照設定數據上料。④ 持續攪拌1min后，通過轉存系統，將漿液輸送至儲漿攪拌機中進行攪拌。⑤ 打開儲漿攪拌機底部與自流管道連接的閥門，進行灌漿輸送。

3.2沖洗管路設計

（1）每班灌漿前，地面灌漿站與井下灌槳人員通過電話保持聯系，首先從地面放入清水，沖刷管路，測試出水口水流量與水壓是否發生明顯變化。測試沖刷時間不小于 20min 0

（2）灌漿結束前，地面灌漿站與井下灌漿人員通過電話保持聯系，提示地面已不再下料，開始洗罐及清洗管路。15min后井下人員將出漿口引入沉淀池內，將管路系統中的污水與清水排放。

沖洗標準：出漿口排清水時間不小于15min；15min后，待管路中水放出，地面灌漿站再放入清水，沖刷管路，沖刷時間不小于 20min ，連續操作2次。

4.效果

4.1安全效果顯著

粉煤灰充填治理深部沖擊性礦井采煤工作面老巷效果顯著，一是解決了回采期間老巷應力集中問題，降低了沖擊風險[；二是杜絕了老巷積塵浮煤和瓦斯積聚，確保了通防安全；三是確保了頂板完整，降低了頂板垮落冒頂風險；四是節省了成本，較以往錨網索 + 木垛加強支護方式降低 30% 以上；五是采煤機可直接截割充填體，優減了木垛回撤工序，實現工作面常態化高效生產。

30天完成 775m 老巷粉煤灰充填，老巷充填密實，圍巖狀態良好，同時粉煤灰配比科學合理，采煤機可直接截割，確保了工作面安全高效生產。

4.2提高開采效率

老巷治理不到位會影響開采的連續性，需要花費大量的時間和人力進行維護工作。經過治理后，老巷進行高效充填后，減少了因為老巷維護而造成的開采中斷情況[3，充填回采前后工作面單刀生產時間由原來的4小時／刀減少至2小時／刀，大大減少回采時間，提高工作面回采效率。

4.3巷道圍巖控制有效

采用粉煤灰充填，充填體接頂率達到 98% ，巷道收斂量控制在 50mm 以內;經微震監測系統驗證，實施區域能量釋放指數下降 76% ，成功規避了2次潛在沖擊地壓風險。

4.4解放孤島煤柱資源

中間巷粉煤灰充填，實現了80米煤柱安全回采，消除了孤島煤柱帶來的安全隱患，為煤柱安全回收提供了技術支撐，既能挖掘存量資源增加經濟效益，又能減少煤柱長期遺留引發的自燃、地表塌陷等，利于礦井資源回收和長遠接續。

4.5節約成本

充填工藝相對傳統的老巷維護工藝，減少了天量的人力投入，從而減少人力成本，相較于傳統木垛支護工藝，此技術展現出顯著優勢，單班作業人員由16人/班減少至5人/班，施工效率提升3.2倍。綜合來看，節約了礦井的支出成本。

5.結束語

本文對沖擊地壓礦井老巷治理難題，依托地面灌漿智能配比平臺，從地面向井下各種特殊的老巷進行高效灌漿充填，代替了傳統的老巷木垛加固方式，更加安全、環保、高效，對沖擊地壓治理、頂板維護、防滅火、粉塵治理等方面更有利[4，具有廣泛的推廣價值。

參考文獻：

[1]齊鵬。煤礦充填開采技術的相關探討[J].當代化工研究.2020（16）

[2]孫希奎。礦山綠色充填開采發展現狀及展望[J].煤炭科學技術.2020（09）

[3]孟和、王小虎。內蒙古自治區煤礦充填開采技術現狀和建議[J].內蒙古煤炭經濟.2020 （19）

[4]韓吉宏、孫濤。充填開采技術在煤礦中的應用[J].內蒙古煤炭經濟.2021（24）作者單位：山東李樓煤業有限公司