高水充填材料在采煤工作面過空巷中的應用

譚衛(wèi)東

（山西陽城陽泰集團白溝煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048100）

煤礦井下開采中，因受地質條件變化、瓦斯、水害等礦井災害治理、采掘接替臨時調整等因素影響，采煤工作面在回采過程中經常會出現(xiàn)遭遇空巷情況。因工作面與空巷平交或斜交，在交接處巷道斷面大、應力集中，在其影響范圍內巷道出現(xiàn)受壓變形嚴重、煤墻片幫冒頂、頂板支護困難等現(xiàn)象，嚴重制約著工作面安全高效回采。工作面過空巷一般采取的主要方法是工作面?zhèn)涡辈贾没夭伞⒖障飪忍崆安扇⊙a強支護加固、工作面遷巷等，上述過空巷方法在施工過程中存在投入人員多、生產效率低、人員勞動強度大、安全系數(shù)低等問題[1-2]。本文針對白溝煤礦21041 工作面回采期間過空巷情況，提出利用高水速凝充填材料對空巷進行充填加固技術方案，通過試驗和現(xiàn)場的應用情況觀察，達到預期效果。

1 工程概況

白溝煤礦12205 工作面位于12 采區(qū)東翼中部，東鄰岳莊斷層保護煤柱，西鄰12采區(qū)上山保護煤柱，南鄰徐莊斷層保護煤柱，北部為未開采區(qū)域。工作面主采二1 煤層，煤層厚度1.8～15.6 m，平均5.6 m。工作面采用綜采放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板。因瓦斯治理需要，在距切眼180 m 和210 m位置布置有2 條高抽巷（如圖1），巷道沿傾斜布置，方向與工作面切眼方向平行。巷道斷面為矩形，凈斷面高×寬=3.2 m×4.6 m，長度194 m。

圖1 12205 工作面高抽巷布置示意圖

2 高水材料試驗分析

2.1 材料性能分析

聯(lián)邦充填材料支護I號是一種雙組分無機材料，由A、B 兩種無機礦粉材料組成，具備完全阻燃、無毒腐蝕性等特點[3]。使用時按1:1 配合使用，A和B 兩種組分分別加水攪拌后，在混合前24 h 內不凝固，但兩種漿體混合后5～30 min 內即可完全固化。該高水材料充填固結體含水率高，使用時可根據(jù)不同的工程需要，選用不同的水灰比，同時具備凝結速度快、早期強度高、增長速度快、泵送性能好等特點[4]。聯(lián)邦充填材料支護按照不同水灰比配比和不同固結時間條件下形成的強度測試情況見表1。

表1 不同水灰比和固結時間條件下高水材料測試參數(shù)

由表1 測試數(shù)據(jù)可知，水灰比越小的充填材料，其形成的填充體的抗壓強度就越高，但消耗的材料數(shù)量也越大；相反，充填材料水灰比數(shù)值越大，其形成的充填體抗壓強度越低，但消耗的材料數(shù)量越小。綜上可知，采用水灰比值大的充填支護材料，能夠有效節(jié)約材料消耗，但會導致充填體的抗壓強度降低。

白溝煤礦12205 工作面1#和2#高抽巷沿煤層頂板掘進，工作面在通過該高抽巷空巷時支架是從空巷內充填體下方通過，充填體被支架頂梁托住，若充填體的抗壓強度過低，支架在經過充填體時頂梁會陷進充填體內，造成支架拉移阻力增大，影響工作面正常生產。綜上分析，采用水灰比為3:1 的充填材料時，單組分漿液流動時間在2 h 以上，而兩組分漿液混合后初始固化時間在20 min 左右，7 d以后充填體抗壓強度能夠達到3.2 MPa 左右，其強度能夠達到空巷充填要求，且材料消耗量相對較低。

2.2 大體積充填固化試驗

為便于觀察充填材料漿液的固化效果，在平地實驗室進行充填材料漿液的大體積充填固化模擬試驗。試驗期間，選取尺寸為1 m×0.4 m×0.5 m 的充填模板，在模板內鋪設塑料布用來防止?jié){液滲漏和保溫。A 和B 兩種組分材料各選取70 kg。

通過充填模擬試驗可知，A、B 兩組分漿液混合后凝固時間大約為18 min，主要是因為大體積的充填體能夠形成聚集熱量的條件，在高溫條件下更有利于充填漿液的凝固。在漿液凝固7 d 以后，將模塊取樣制成體積為70.5 mm×70.5 mm×70.5 mm的標準試樣，對試樣的單軸抗壓強度進行測試，7 d后樣體的強度為3.5 MPa，比小體積的試樣強度略高。結果表明，大體積充填材料能夠形成聚集熱量的環(huán)境，在聚熱的條件下有利于提高充填體的抗壓強度。

3 高水材料充填方案

3.1 充填管路布置方案

結合工作面地質條件，因1#高抽巷頂板標高高于2#高抽巷，可以利用此條件從1#高抽巷向2#高抽巷施工充填鉆孔，優(yōu)先對2#高抽巷進行充填。鉆孔設計仰角1°～3°，鉆孔間距20 m，采用直徑為75 mm 鉆頭施工，注漿孔內安裝Φ51 mm 的高壓膠管作為注漿管，管路出液口懸掛在2#高抽巷巷道頂部最高處。注漿孔布置圖如圖2。

圖2 12205 工作面高抽巷注漿孔布置示意圖

3.2 充填方案

在對高抽巷進行充填作業(yè)時，主要分三個階段實施。第一階段，首先在高抽巷口處施工擋液墻，防止注液時漿液從巷口流出。施工擋液墻時，為防止巷道內有害氣體積聚，在距巷口頂部上方預留0.5m 高的通風口作為巷道內通風使用。注漿前，每個注漿點處均需要鋪設單獨的進液管路，且出漿口位置設置在該區(qū)域內的最高點。當巷道內的漿液液面與擋液墻口齊平時，將擋液墻上方0.5 m 高的通風口進行封閉，封閉后進行第二階段的注漿充填。當漿液液面高度達到第二階段巷道區(qū)域內的高點，到達第三階段預鋪設的注漿管路下沿時，可以開始第三階段的注漿充填[5]。充填示意圖如圖3。

圖3 高抽巷注漿充填示意圖

4 工作面過空巷補強措施

（1）工作面注漿措施

為防止工作面過空巷時煤墻片幫、冒頂影響工作面安全回采，當工作面回采至距1#高抽巷10～15 m 位置時，采取在工作面切眼內對煤體提前進行注漿加固措施，使破碎的煤體提前固化，提高煤體的穩(wěn)固性和整體高壓強度，確保工作面安全回采。

工作面切眼內煤壁注漿孔設計為雙排布置，上排孔距工作面頂板1000 mm，仰角15°，孔深為8000 mm，每間隔5000 mm 布置一個注漿孔。下排孔設計距工作面底板1500 mm，水平布置，孔深8000 mm，孔間距5000 mm。注漿孔布置如圖4。

圖4 工作面注漿孔布置示意圖

（2）工作面調斜

當工作面回采至距1#高抽巷30 m 位置時，工作面機頭和機尾按照2:1 比例進行推進，即機頭推進2 m 時，機尾推進1 m，當工作面回采至高抽巷位置時保證機頭超前機尾15 m，工作面與高抽巷斜交，使工作面支架逐架進入高抽巷內，減小工作面一次揭露高抽巷的面積，以便于工作面煤墻和頂板管理維護。

（3）加強巷道超前支護

在受高抽巷影響范圍的巷道內加強巷道超前支護工作。在1#和2#高抽巷口向里5 m 范圍內支設木垛進行加強支護。在高抽巷口前后20 m 范圍內的巷道內沿巷道走向方向使用單體液壓支護配合π 型鋼梁打設雙抬棚進行加固，打設的抬棚一梁三柱，抬棚間距1000 mm，單體液壓支柱初撐力不低于90 kN，每班安排專人進行檢查維護。

5 應用效果分析

在工作面回采過程中，通過采取對空巷提前進行注漿充填、工作面煤壁注漿、工作面調斜和受空巷影響段巷道超前加固支護等措施，在距離注漿孔水平方向1 m 位置施工1 個窺視鉆孔觀察煤體注漿前后情況，注漿后幫部煤體窺視情況如圖5、圖6。注漿后，原煤體發(fā)育的裂隙被充填固化，煤體完整性得到了提高，其強度相應得到增加，注漿起到加固煤體的作用，工作面煤壁直線性較好，未出現(xiàn)大范圍片幫和漏頂現(xiàn)象，工作面實現(xiàn)了安全快速推進。

圖5 注漿前幫部煤體窺視情況

圖6 注漿后幫部煤體窺視情況

6 結論

（1）通過大體積充填模擬試驗可知，聯(lián)邦充填支護材料I 號在聚熱條件下，能夠有利于其抗壓強度的增長。

（2）綜合分析可知，采用水灰比為3:1 的充填材料時，單組分漿液流動時間在2 h 以上，而兩組分漿液混合后初始固化時間在20 min 左右，7 d 以后充填體抗壓強度能夠達到3.2 MPa 左右，其強度能夠達到空巷充填要求，且材料消耗量相對較低。

（3）工作面過空巷期間，在提前利用高水材料對空巷采取充填措施的基礎上，為提高過空巷期間的安全系數(shù)，同時采取對工作面煤體進行注漿固化、工作面調斜、巷道超前加固支護等措施。通過應用結果表明，采取上述措施后，12205 工作面煤壁和頂板得到了有效控制，工作面實現(xiàn)了安全快速通過空巷。