張 超

（山西寧武榆樹坡煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

工作面過(guò)空巷是當(dāng)前一次采全高綜采工作面回采的主要問(wèn)題之一，特別是對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜，內(nèi)部構(gòu)造不清需打探巷探明相關(guān)狀況的工作面，這個(gè)問(wèn)題很普遍。榆樹坡公司1201工作面內(nèi)空巷平行切巷布置，部分地段巷道超高，頂板破碎，工作面過(guò)空巷過(guò)程中，隨著工作面的推進(jìn)，在超前支撐壓力作用下基本頂易在空巷上方提前斷裂，引起空巷及工作面頂板急劇下沉，礦山壓力顯現(xiàn)劇烈。理論與實(shí)踐表明，采用HS-2型高水充填材料充填空巷是回采過(guò)空巷的一種安全、經(jīng)濟(jì)、高效的方法。

1 工程概況

榆樹坡公司1201綜采工作面位于2號(hào)煤一采區(qū)。工作面標(biāo)高為1018～1112m，地面標(biāo)高為1360～1430m，埋藏深度為290～390m，煤層平均厚度4.7m。煤層基本頂為18.92m厚的粗中細(xì)砂巖，基本底為8.69m的砂質(zhì)泥巖。1201工作面采用一次采全高綜合機(jī)械化走向長(zhǎng)壁采煤法，后退式開采，平均采高4.7m。

（1）空巷情況。1201工作面內(nèi)槽波探測(cè)出兩條斷層，CF7和CF8，為進(jìn)一步確定斷層位置、斷距及走向，在切巷向外560m處施工了一條探巷（寬×高=4.4m×3.8m）。該巷道由進(jìn)風(fēng)順槽側(cè)開口，垂直于進(jìn)風(fēng)順槽，向采幫側(cè)延伸124m，與輔助進(jìn)風(fēng)巷貫通，空巷采用錨網(wǎng)支護(hù)。因沿頂板掘進(jìn)，并準(zhǔn)確探出兩條斷層，探巷斷層處部分巷道高度達(dá)6.8m。探巷平面位置見圖1，實(shí)測(cè)剖面見圖2。

圖1 1201工作面采掘工程平面圖

圖2 1201探巷實(shí)測(cè)剖面圖

（2）預(yù)計(jì)充填情況。現(xiàn)1201工作面已回采至385m處，距離探巷175m。為了減少過(guò)空巷時(shí)間，提高工作面回收率及安全生產(chǎn)水平，計(jì)劃采用HS2型空巷充填材料對(duì)該探巷進(jìn)行局部充填，要保證輔助進(jìn)風(fēng)巷正常通風(fēng)，計(jì)劃充填長(zhǎng)度104m。根據(jù)井下實(shí)測(cè)，待充填空巷體積1845m3。具體充填參數(shù)見表1。

表1 1201探巷充填參數(shù)

2 空巷充填材料

2.1 空巷充填材料

空巷充填材料是一種能在高水灰比條件下快速凝結(jié)的特種水泥，水化反應(yīng)生成大量的鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）。空巷充填材料能夠在高水灰比條件下快速凝結(jié)硬化，不析水，固結(jié)體塑性好，7d達(dá)到終凝強(qiáng)度的90%左右，反應(yīng)溫度低，是空巷充填材料最顯著的特點(diǎn)。如圖3所示為空巷充填材料固結(jié)體三向受限時(shí)各齡期強(qiáng)度隨時(shí)間變化圖。

圖3 空巷充填材料固結(jié)體三向受限時(shí)各齡期強(qiáng)度

2.2 高水材料預(yù)充空巷開采圍巖控制原理

采用高水材料將空巷充滿后，可使其基本恢復(fù)原巖狀態(tài)，原本有空巷的工作面相當(dāng)于變成了由充填材料替換了煤體的正常工作面，這樣不需再對(duì)空巷進(jìn)行維護(hù)，而且空巷與工作面之間的煤柱不會(huì)再像原來(lái)那樣破碎，仍有較強(qiáng)的承載能力。工作面過(guò)空巷時(shí)，采煤機(jī)可像正常采煤一樣直接切割充填體。流動(dòng)性和滲透性很強(qiáng)的高水材料漿液可滲透到空巷圍巖縱橫交錯(cuò)的裂隙中并固結(jié)，從而在圍巖中形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)果，將破碎圍巖黏結(jié)成整體，阻止圍巖進(jìn)一步片幫或冒落。

3 充填方案

3.1 充填方法

根據(jù)充填工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，有四種適用于充填巷道的充填方法：（1）開放式充填法：巷道傾角較大情況下，漿液靠重力自流，空巷待充區(qū)域處于開放的充填方式；（2）全袋式充填法：巷道近水平或水平情況下，在巷道內(nèi)全巷道布置充填袋，袋內(nèi)充入充填材料，不受涌水影響，勞動(dòng)組織復(fù)雜，作業(yè)環(huán)節(jié)安全要求高；（3）混合式充填法：巷道傾角變化較大而導(dǎo)致起伏較大的復(fù)雜條件的巷道，采用充填袋與開放式充填相結(jié)合的方法；（4）分段阻隔充填法：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，將待充區(qū)域分段，并為每個(gè)區(qū)域砌筑隔離墻，逐段充填。

經(jīng)過(guò)分析，1201工作面探巷充填時(shí)間較緊，要求工藝應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，人員需求少，易于組織與管理。因此，不適合采用全袋式充填和混合式充填方法?？紤]到探巷平均坡度為8°，最終確定采用分段阻隔注漿充填方法，如圖4所示。

圖4 分段阻隔式充填巷道示意圖

3.2 充填材料力學(xué)參數(shù)的確定

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果，參考以往的工程實(shí)踐，綜合考慮井下施工條件、工作面超前支承應(yīng)力的作用效果、漿液固結(jié)強(qiáng)度及材料消耗等因素，確定空巷充填材料的水灰比為4:1（初凝時(shí)間≤30min，充填體終強(qiáng)1.46MPa，7d強(qiáng)度為終強(qiáng)的90%）。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，CD段巷道頂板有一處淋水，出水量0.5～0.8m3/h，為防止頂板淋水降低充填體強(qiáng)度，充填前需排凈此處積水，并在淋水處下方安裝引流管，將巷道淋水排出。另外，此處4m長(zhǎng)巷道底板因積水造成淤泥沉積，沉積厚度約400mm。因該段探巷底板低于進(jìn)風(fēng)順槽底板，回采時(shí)充填體將成為假底。按工作面液壓支架達(dá)到8000kN工作阻力，并考慮支架33t自重，求得支架底壓比：D=（8000kN+33×10kN）/底座面積=8330/2.2×0.7×2=2.71MPa。

為防止工作面回采到此處時(shí)支架下陷，充填前將積水排凈后，在淤泥沉積段垂直于探巷布置 150×150×1500mm 道木， 每排2根，排距200mm。同時(shí)將最初1500mm厚度內(nèi)的材料水灰比調(diào)整為1.7∶1（終強(qiáng)6.7MPa），以提高充填體的強(qiáng)度。

AB段部分巷道高度達(dá)到6.8m，充填施工時(shí)采高（4.0m）以上部分將材料水灰比調(diào)整為1.7:1，并于充填前在巷道正中施工懸吊錨桿索，錨索規(guī)格為Φ17.8×5300mm，排距2000mm，錨索最外端距巷道底板4000mm。錨索之間采用工字鋼梁連接，確?；夭蓵r(shí)假頂不冒落。

4 充填工藝與系統(tǒng)

4.1 泵站及設(shè)備布置

充填泵站選擇布置在輔助進(jìn)風(fēng)順槽內(nèi)，有充足的操作和存料空間，可利用防爆鏟車進(jìn)行充填料的搬運(yùn)。如圖5注漿設(shè)備配置示意圖。

圖5 注漿設(shè)備配置示意圖

4.2 砌筑止?jié){墻

先充填CD段，后充填A(yù)C段。為防止?jié){液流動(dòng)，保證充填空間充填密實(shí)，每個(gè)充填段兩端需打設(shè)止?jié){墻。止?jié){墻可由木立柱釘上木板并內(nèi)側(cè)襯一層風(fēng)筒布構(gòu)成，同時(shí)兩端伸入煤幫穩(wěn)定處，頂部和兩側(cè)伸入煤幫200mm可滿足要求。最后一道止?jié){墻采用加氣磚砌筑，并用水泥混凝土密封嚴(yán)實(shí)。

止?jié){墻高度可隨充填進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整，可隨時(shí)觀察施工進(jìn)度。因漿液初凝速度快，實(shí)際對(duì)止?jié){墻側(cè)向壓力只有上部還未凝固的部分高度漿液，重點(diǎn)是止?jié){墻的密封性，要保證超高處充填接頂。

4.3 充填區(qū)域內(nèi)管路安放

為保證空巷充填密實(shí)，止?jié){墻施工完畢后，將混合輸漿管（管路不回收，使用PVC管）和排氣管綁定在巷道中間最高處的頂板上，如圖6所示。

圖6 充填管路布置示意圖

5 填充施工現(xiàn)場(chǎng)記錄及效果分析

5.1 充填施工記錄

4月8日～4月24日，實(shí)際施工16d。充填空巷長(zhǎng)度95m，充填體積1700m3，消耗充填材料500t。

充填施工時(shí)，因部分地段水灰比調(diào)整，工人勞動(dòng)強(qiáng)度加大，效率降低，預(yù)計(jì)14d施工結(jié)束，實(shí)際施工16d。

5.2 充填效果

5月16日，工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)割透空巷，輔助進(jìn)風(fēng)巷側(cè)距空巷還剩7m。此時(shí)，空巷未充填30m段內(nèi)，頂?shù)装逡平拷咏?m，幫部破碎，出現(xiàn)滾幫。充填段巷道圍巖和礦壓顯現(xiàn)無(wú)明顯變化，采動(dòng)影響較小，填充體強(qiáng)度整體滿足支護(hù)強(qiáng)度需要，和巷道圍巖緊密結(jié)合成一個(gè)整體，經(jīng)支架頂梁和底板加壓后，未出現(xiàn)假頂破碎或支架下陷的現(xiàn)象。5月18日安全通過(guò)空巷，過(guò)充填體期間，礦壓顯現(xiàn)正常，回采速度無(wú)影響。

但填充體遇水軟化，易生成“稀泥”，在工作面推進(jìn)過(guò)填充體期間，由于原空巷頂板出水和機(jī)組噴霧，充填體經(jīng)機(jī)組截割和煤溜裝運(yùn)期間，遇水軟化成“稀泥”，導(dǎo)致出現(xiàn)皮帶打滑，單個(gè)采煤面生產(chǎn)極易造成煤倉(cāng)潰倉(cāng)事故。

填充體正常水灰比4:1，強(qiáng)度1.46MPa，滿足機(jī)組正常截割要求；超高假頂段和淤泥假底段填充體水灰比1.7:1，強(qiáng)度6.7MPa，可保證支架頂?shù)装灞葔阂蟆?/p>

6 總結(jié)分析

6.1 空巷充填優(yōu)點(diǎn)

HS2型充填材料漿液流動(dòng)和滲透性好，不析水，且充填體強(qiáng)度可根據(jù)施工要求調(diào)整，分段分強(qiáng)度充填，即保證承壓強(qiáng)度，又保證機(jī)組截割不受影響。充填系統(tǒng)和充填工藝簡(jiǎn)單、可靠，填充強(qiáng)度調(diào)整簡(jiǎn)便，影響因素少，便于整體工程質(zhì)量把控，施工速度快、效率較高，滿足快速充填要求。

原聯(lián)合支護(hù)方法（加強(qiáng)錨索+木垛）過(guò)空巷，頂板出現(xiàn)離層變形深度難以準(zhǔn)確把控，錨索長(zhǎng)度選擇的科學(xué)合理性不強(qiáng)，而木垛支護(hù)整體強(qiáng)度不足，若在采空影響下空巷出現(xiàn)大范圍離層，加強(qiáng)錨索+木垛支護(hù)對(duì)頂板管理能力有限。而空巷填充支護(hù)，充填體和周邊圍巖緊密結(jié)合，形成一個(gè)整體，填充體強(qiáng)度根據(jù)施工需要合理調(diào)整，可以較好地緩解采空礦壓影響，提前控制巷道圍巖變形，減緩巷道頂板下沉和底鼓，杜絕片幫冒頂，保證了過(guò)空巷安全施工。

6.2 空巷充填缺點(diǎn)

（1）機(jī)械化、智能化較低，人工倒料、裝料，零工需求量大；

（2）填充體遇水易軟化成“稀泥”，運(yùn)輸環(huán)節(jié)易造成皮帶打滑、煤倉(cāng)潰倉(cāng)等事故；

（3）因第一段充填后形成盲巷，需安設(shè)局部通風(fēng)機(jī)。