超高回采巷道顶部柔膜袋快速充填技术

焦晋斌，孙如意

(1.晋城煤业集团 赵庄煤业， 山西 晋城 048000； 2.河南理工大学 能源科学与工程学院， 河南 焦作 454003)

回采巷道断面多为横长矩形，由于超挖或地质构造切割等因素，往往造成巷道超高[1-2]. 超高区巷道断面大，形状不规则，造成回采时超前区巷道支护困难，受工作面采动影响极易发生结构失稳、顶板冒落现象。对于超高巷道，常用的处理措施是顶部堆积井字形木垛支撑顶板，该方式运输工作量大、工人劳动强度大，且井字木垛存在接顶不充分、承载能力低且易变形、单体支柱工作阻力小、受力不均等问题，加上顶板不均匀变形因素，井字木垛稳定性差，极易发生倾倒，诱发顶板事故，对工作面的安全回采构成威胁[3-5]. 针对阳泉煤业集团南庄煤矿回采巷道超高区进行快速充填技术研究，以保障顶板稳定，实现安全回采。

1 工程背景

阳泉煤业集团南庄煤矿8836工作面运输巷，正常掘进断面为4.6 m×2.9 m，沿煤层底板布置，全煤巷，煤层厚度约6 m. 在8836运输巷掘进期间，由于一侧为8826工作面采空区，煤体破碎严重，部分区域顶煤垮落，造成巷道超高。超高段的实际高度达到4.5～6 m，局部高度可达6.3 m，目前绝大部分超高区处于裸露状态并未充填支护，超高段巷道长度约120 m，平均超高约2 m.

2 充填区域实测及充填柔膜袋设计

2.1 充填区域实测

在8836运输巷超高区域选取3个充填区域进行断面实测，从西(里)到东(外)，依次编号为1#充填区、2#充填区、3#充填区。3个充填区域巷道断面实测见图1，图2.

图1 1#充填区实测图

1#充填区影响巷道长度南帮5 m，北帮5.7 m，西侧巷道正常高度3.5 m，超高起始高度6.27 m，东侧超高结束高度5.8 m，东侧巷道正常高度4.5 m，东侧西侧巷高过渡均为台阶过渡。

图2 2#、3#充填区实测图

2#、3#充填区连续，根据巷道宽度变化分为两段，2#位于西侧，3#位于东侧，2#充填区影响巷道长度5.6 m，西侧正常巷高3.8 m，超高区巷高平均6.3 m；3#充填区影响巷道长度4.5 m，超高区巷高6.3 m过渡到东侧正常巷高5.2 m，过渡段顶板均匀变坡过渡。

2.2 柔膜袋设计

柔膜袋采用完全阻燃、抗静电的风筒布制作。3个充填区域均为不规则断面，在以往的试验中发现，柔膜袋形状对现场使用效果影响很小而异形柔膜袋加工困难，因此，考虑一定的富余量，全部制作成规则的长方体，尺寸见表1.

表1 柔膜袋尺寸表

柔膜袋顶部四周均匀布置吊环，间距0.4 m，用于悬挂，顶部较高一侧加工3个袖口，1个用于充气/进料，2个用于排气。以1#柔膜袋为例，设计见图3.

图3 1#柔膜袋示意图

3 顶部快速充填方案

3.1 模板支设

以1#充填区为例，巷道宽度5.5 m，长度5.7 m，模板整体支设高度3.5 m. 模板支设流程如下：

1) 平台搭设。

将4根长度不小于4 m红松圆木分别固定架在巷道两侧，固定高度3.4 m；采用5.4 m长半圆木梁，搭设在固定好的两侧红松圆木上，间距为600 mm；半圆木梁上铺设木板、金属网将底部进行封闭。

2) 柔膜袋吊挂。

将充填袋吊挂至顶板，为防止顶、帮部锚索扎破充填袋，用废旧编织袋将锚索、锚杆进行包裹。吊挂结束后，半圆木梁下方采用单体柱支撑，一梁五柱，间距1.2 m，见图4.

图4 1#充填区域走向模板支设示意图

3) 侧向无约束空间处理。

充填袋西侧边界为台阶，可约束充填体变形，东侧边界由于巷道高度大，下方留有1 m高度无约束空间，见图5，必须施加约束，防止充填过程中鼓出。

图5 侧向无约束空间处理示意图

3.2 无机高水充填材料

无机高水充填材料为双组份无机材料，分为A型和B型，A型主要成分为硫酸铝盐水泥、速凝剂、复合早强剂；B型主要成分为无水石膏、石灰、减水剂。具备完全阻燃，无毒腐蚀性、速凝早强、材料消耗量小、可远距离泵送等性能优点，该材料能够适用于(3∶1)～(6∶1)的水灰比，现场采用3∶1水灰比，胶凝时间10 min，2 h强度1.25 MPa，3 d强度2.12 MPa，28 d强度3.98 MPa，弹性模量2.92 GPa，变形模量1.79 GPa，泊松比0.27，材料消耗约305 kg/m3.

3.3 充填设备

采用河南力行科创矿山技术开发有限公司研发生产的GZJ-300型高速制浆机和QKSX-200型定量水箱进行充填。

高速制浆机采用涡轮搅拌，可以迅速搅拌均匀(30 s内)，同时利用离心力将浆液排出，而定量水箱通过气动开关和浮球装置，实现水量自动、精确控制，阀门关闭时自动蓄水，阀门打开时快速放水，二者配合，提高了制浆效率。制浆速度取决于人工下料速度，现场实际充填速度为16～20 m3/h.

GZJ-300高速制浆机参数为：使用容量300 L，制浆时间2 min，额定功率7.5 kW，整机重量380 kg，外形尺寸1 600 mm×1 000 mm×1 300 mm. QKSX-200型定量水箱参数为：容量200 L，气压0.2～0.6 MPa，加水泄水时间≤3 min，整机重量40 kg，外形尺寸600 mm×500 mm×600 mm.

3.4 分段充填工艺

由于充填体积大，为防浆液对模板产生巨大压力，建议高度上分段充填，每次充填高度1 m，待第2天充填体强度显著增长后，再进行第二段充填。

4 工程量及效果考察

1) 工程量。每天1班充填，平均充填速度18 m3/h，每班实际充填时间5～6 h，累计施工12天，充填空间1 104 m3，消耗充填材料80 t，设备紧凑，运行稳定，材料固化良好，充填过程顺利。

2) 超前区顶板情况。在充填体下方单体柱上安装10组单体柱压力表，均匀布置，单体柱受力大小基本一致，约15 MPa，进入工作面超前区域时，普遍增大到20～22 MPa，说明充填体接顶充分；顶部充填体均匀缓慢下沉，未发生冒落现象，工作面顺利通过。

3) 后方垮落情况。工作面支架后方，拆除单体柱和顶梁，充填体快速下沉、折断，未在后方形成悬顶。

5 结 论

1) 现场无机高水充填材料采用3∶1水灰比，胶凝时间10 min，2 h强度1.25 MPa，3 d强度2.12 MPa，28 d强度3.98 MPa，材料消耗约305 kg/m3.

2) 高速制浆机能够快速搅拌，定量水箱能够自动、精确控制水量，实现快速制浆充填。

3) 在工作面超前区，充填体下方单体柱受力均匀、明显，充填体接顶充分，通过充填区域时，顶板未发生急剧下沉、冒落现象，工作面后方充填体垮落效果良好，未形成悬顶。