晋北煤业5-103工作面走向空巷充填技术应用研究

吴天阳

（霍州煤电集团晋北煤业公司，山西 静乐 035100）

0 引言

在煤炭的开采过程中，工作面过空巷时巷道围岩的变形一直是难题。当工作面过空巷时，因为超前支承压力的作用，非常容易导致巷道顶板冒落，当顶板较为坚硬时，常常因为受力集中导致上覆岩层断裂，随着工作面的推进，顶板断裂现象愈加严重，有可能导致大面积的顶板下沉问题，影响开采的顺利进行。分析其原因，主要是因为空巷支撑力较小，在工作面长时间的推进过程中，空巷受力集中所以导致巷道的变形[1-5]。晋北煤业5-103工作面也是如此，为了解决工作面过空巷时巷道变形严重的问题，进行了高水充填作业，收到了良好的效果。

1 试验工作面生产地质条件

晋北煤业5-103工作面位于一采区，东北部与一采区回风、皮带、轨道巷相邻；东南部与井田边界相邻；西南部与原牛泥煤矿2005-2006年采空区相邻；西北部以采区边界为界；5-103工作面地面标高为+1340m～+1510m，井下标高为+1335m～+1377m。

采区内煤层性质稳定，根据地质钻孔资料及巷道揭露情况可知：工作面煤（岩）层赋存相对稳定，区域内断裂构造不发育。5上#煤层厚度为3.3～6.9m，平均为5.1m。工作面煤层为V型向斜构造，中间低两边高，煤层走向为N343°S，倾向为EN253°，煤层倾角为5～17°。

在5-103工作面回采的过程中，需经过与工作面走向平行的空巷,空巷为老巷，与通风大巷平行。空巷断面积约为6m2，宽度为4.2m，高度为1.5m，空巷巷道采用锚杆锚索支护方案，根据现场经验可知，工作面推进至空巷巷道时，巷道内锚杆锚索出现断裂现象，围岩变形严重，严重威胁到生产的进行，为此必须采取相应的措施维持巷道的稳定性。

2 工作面过空巷期间充填体作用机理及参数确定

为了避免工作面过空巷时发生液压支架压死、顶板下沉严重的问题，采用高水材料进行充填作业，高水材料是一种特种水泥，具有凝结速度快、强度大等优点。利用高水材料进行充填作业后，充填体对巷道的支撑作用减少了巷道顶板的下沉量，保证了工作面回采的安全性。

因为空巷顶板的破坏并不是一个突变的过程，而是力学渐进所致，未进行充填支护时，受采动影响，顶板岩层由最初直接顶的弯曲下沉转变为直接顶、老顶离层，此时力学关系式满足下列条件：

式中：q1老顶承载为，单位kN；γh1为老顶单位长度下承载，单位kN；E1、E2、J1、J2分别为老顶、直接顶的弹性模量和惯性矩，单位分别为MPa、kg·m2；h1为老顶的厚度，单位m；Σh为直接顶的厚度，单位m；L1为初次垮落步距，单位m。

通过高水材料充填后，充填体提供的承载力为q2，充填支撑作用下，直接顶和老顶力学关系式满足下列条件：

化简公式（2）可得直接顶和老顶不发生离层的条件是q2≥γh1+q1-，即保证充填体强度大于q2即可，根据计算，得到充填体强度需大于2MPa。

不同水灰比下，高水材料的强度值存在差异，图1为不同水灰比值下充填体抗压强度随时间的变化曲线，当水灰比值为11:1时（水体积为97%），高水材料在三轴受力状态下抗压强度可达到0.5MPa；当水灰比值为8:1时（水体积为96%），高水材料在三轴受力状态下抗压强度可达到1MPa；当水灰比值为6:1时（水体积为95%），高水材料在三轴受力状态下抗压强度可达到2MPa；当水灰比值为5:1时（水体积为94%），高水材料在三轴受力状态下抗压强度可达3MPa；随着水灰比值的减少，高水材料的强度值越大。考虑到高水材料成本较高，满足充填强度即可，因此选择水灰比值为6:1进行高水材料充填作业。

3 工业试验

3.1 充填及实施方案

根据5-103工作面实际地质状况，将工作面以及充填区域划分为8个区段逐个进行填充作业。在填充作业初期，先在空巷两端设置临时的密闭墙，临时密闭墙设定完成后，每隔800mm的间隙设置一个单体液压支架，为充填体充填空巷留出足够的空间。在前三段密闭墙上通过钻孔使其形成注浆充填孔。在第一段区域充填完成后，为了保证生产的安全进行，在充填区域安装通风机保证足够的通风量，逐段进行充填作业，直至8个区段都充填完成。

在充填作业时，选用两台充填泵进行充填作业，一台用于工作，另外一台备用。注浆工艺较为复杂，主要包括浆液的输送、配比以及清理等工序。将搅拌桶安装在距离运输轨道较近的位置，既有利于材料的输送，又便于工人进行物料的搬运，在注浆过程中，共设置四台搅拌桶，每个搅拌桶中可以容纳1.5m3的浆液，每个搅拌桶外管都与32mm的高压及胶管相连接，保证高压胶管有足够的长度。因为注浆过程时间较长，为了避免注浆材料受潮，通常在巷道底部铺设一层木板，可以有效防止注浆材料变潮变硬。在搅拌桶的另外一侧需连接约3寸长的供水管线。充填设备图如图2所示。

图2 注浆设备图

3.2 注浆效果观测

注浆效果的检测主要包括矿压监测和窥视孔分析两部分，对于矿压的检测，本文选取的是注浆区域2区的30#、32#、34#液压支架进行观测，得到图3所示的上测站液压支架工作阻力变化图以及图4所示的下测站液压支架工作阻力变化图。从图中可以看出，随着工作面推进至空巷2段时，上测站的32#液压支架相较其它液压支架的工作阻力增加了130kN，30#与34#支架之间的工作阻力差值约为50kN。在下测站区域，三个支架之间的工作阻力差值都维持在50kN左右。在工作面推进至2段区域时，巷道顶板的压力发生变化使得支架的阻力增加，因为支架工作阻力差值都在200kN以下，因此支架可以起到很好的支撑作用。在超前支承压力的作用下，巷道受力集中容易变形，当进行充填作业后，充填体以及液压支架工作支护使得巷道具有一定的承载能力，较小的变形量并不影响正常的煤炭开采。

图3 上测站液压支架工作阻力变化图

图4 下测站液压支架工作阻力变化图

图5 为正常阶段与进入空巷时液压支架工作阻力变化对比图，从图中可以看出，当回采工作面未进入空巷前，支架的平均阻力值约为2765kN，不同支架的工作阻力差值均小于50kN，当工作面过空巷时，支架的平均工作阻力约为2700kN，不同支架的工作阻力差值均小于50kN，对于32#支架而言，在进入空巷时，支架的工作阻力达到2785kN，比未进入空巷时的工作阻力大90kN。因此可见，充填作业后，巷道依旧会有一定程度的下沉，从液压支架的工作阻力差值来看，巷道的变形并不大。由此可见，通过充填作业后的空巷具有一定的承载能力，能满足工作面的正常推进。

图5 正常阶段与进入空巷时液压支架工作阻力变化对比图

窥视孔分析通过5-103工作面4个窥视孔和巷道距离开切眼20m和30m位置的窥视孔进行观测，得到表1所示的结果。

表1 注浆效果窥视孔

根据对窥视孔效果和现场观测，高水充填材料对顶板起到直接的支撑作用，控制了顶板离层现象的发生，未影响工作面正常回采的进行，证明了充填作业的成功性。

4 结论

本文针对5-103工作面推进至空巷巷道时，巷道内锚杆锚索出现断裂现象，围岩变形严重的问题进行了充填体作用机理及参数确定，选择水灰比值为6:1进行高水材料充填作业，通过对支架工作阻力和窥视孔效果分析，得到6:1水灰比值高水充填作业对巷道顶板起到明显的支撑作用，保证回采工作的顺利进行。