荆宝煤业老空区充填探究

赵健春

(晋能控股煤业集团 荆宝煤业有限公司，山西 长治 046200)

1 项目背景

三元古韩荆宝煤业有限公司是山西煤炭运销集团兼并重组整合的矿井，核定批复生产能力为120万t/a，井田面积为10.605 3 km2，采矿许可证载明开采3～15号煤层，煤层埋藏标高为：3号煤层+500.00～+940.00 m，15号煤层+380.00～+830.00 m。现开采3号煤层。矿井采用倾斜长壁后退式综采放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板，掘进工作面为综掘。

经过多年开采，荆宝煤业的3号煤层已所剩无几，而15号煤层为高硫煤，开采价值不高。在确保矿井效益的基础上，为有效延长矿井服务年限，荆宝煤业对三采区的开采进行了调整部署。

荆宝煤业三采区机轨巷与回风巷沿北西-南东向布置，两巷掘进1 500 m左右后，拐弯向南继续布置巷道至风氧化带保护煤柱为止。目前，机轨巷已掘进1 400 m，回风巷已掘进1 030 m。由于三采区内资源受小煤窑破坏较严重，机轨巷与回风巷掘进过程中揭露多条旧巷和老空区，且旧巷和老空区内存在积水，对三采区顶板、水害、有毒有害气体的管理造成了相当大的困难。鉴于此，荆宝煤业拟采用铝基高固水材料对老空进行充填，以确保掘进巷道顺利穿过老空。

2 铝基高固水材料

铝基高固水系材料是指水体积份额可达95%～97%(水灰比约6.5∶1～11∶1)的水硬性材料。该材料的主体物料由A料、B料组成。

铝基高固水材料A料、B料，在两个独立的盛满水的搅拌桶内充分搅拌后，通过两趟独立的管路在老空区附近混合后注入老空，凝固后形成的主要产物是钙矾石。其性能主要取决于钙矾石生成量的多少、钙矾石的形成速率及稳定性。

该材料属于早强、快硬型的胶结材料，初凝与终凝时间很近。水固比越大，凝结时间越长，反之越短。其在水灰比3∶1的条件下，初凝时间为2 min，以控制浆液自由流动4～7 m范围，材料7 d后强度增长缓慢,凝固强度为2～4 MPa。

3 铝基高固水材料采空区充填方法

对不同形态的采空区进行充填时，要有与其相适应的充填方法与充填工艺。铝基高固水材料充入采空区有两种途径：一是开放式充填方法，即将铝基高固水材料输送至采空区后，让其自然流淌与漫溢；二是通过钻孔向采空区进行管道灌注。

3.1 开放式充填方法

开放式充填方法，是在能够观察到揭露的空巷且采空区未垮落的情况下对采空区不进行任何调控，即允许采空区上覆岩层部分垮落，空巷完全处于开放与自由状态的充填方式。

在进行充填的过程中，采空区的铝基高固水材料浆体将会逐渐固化。将固化过程分成四个阶段：初凝阶段、过渡阶段、固化基本完成阶段与固化完成阶段，如图1所示。

图1 注浆充填体固化阶段划分示意

3.2 钻孔式注浆充填法

钻孔式注浆充填法是在未揭露已探测的空巷情况下，对采空区进行钻孔注浆充填加固，使得老空内垮落的矸石、煤块(煤粉)与周围煤体成为一个整体，防止片帮冒顶，提高施工效率。

在掘进到距离老空区5 m时停止掘进，从工作面迎头位置向前施工注浆钻孔，注浆钻孔探透老空区后，铺设相应管道，对老空区进行注浆充填施工。随后根据老空区的充填情况，及时调整注浆量，必要时补打钻孔对老空区注浆充填，直至将掘进范围内老空区内垮落的岩石和煤体胶结为一体，如图2所示。

图2 钻孔式注浆充填法示意

4 采区老空充填实践

2019年10月22日8点班和4点班，在三采区回风巷四段开口处进行探放水钻探作业，钻探结果显示前方40 m为老空(1号老空)。

2020年1月1日开始掘进，掘至距老空1 m时，从巷道窝头倾斜向上施工1个断面为1 m2的探巷打通老空，观察老空内顶板垮落高度、积水、积气等情况，初步确定老空规格为15 m(横向跨度)×10 m(纵向跨度)×5.6 m(高度)。

2020年1月5日，对小端面探巷采用砖块进行封堵，并对工作面迎头3 m范围内巷道顶板、两帮及小孔处采用罗克休进行喷射，将破碎煤体缝隙封堵严实，防止后期浆液从缝隙中跑漏。

2020年1月14日4点班开始打设钻孔，对老空区进行开放式注浆充填。

共布置3个注浆充填钻孔。1号孔方位角为迎头正前方布置，与巷道水平夹角0°、倾角22°,2号、3号孔分别与巷道水平夹角为10°、倾角为22°。

将注浆泵安装在三采区机轨巷距三采区回风巷掘进工作面最近的地点，将1趟2寸钢管铺设至掘进头，并用软管与注浆孔预埋管路连接，预埋的管路与注浆孔缝隙要封堵严实。充填过程中要随时观察浆液跑漏情况，防止浆液从顶板破碎缝隙或因封孔不严造成跑漏，同时观察注浆泵压力情况，确保充填强度达标。

充填结束后3～5 d要打设验证孔，对充填效果进行验证，验证凝结硬度和充填料接顶情况。大约5～7 d后，充填凝结效果达标，方可掘进通过老空区。

1号老空区充填验证达标后，三采区回风巷掘进穿过老空，期间偶尔遇到垮落凝固碎石，需缓慢截割，过空期间采用锚网索+工字钢棚复合支护，最终顺利通过老空。

图3 三采区回风巷老空充填施工现场

5 结 语

充填过老空方式成功解决了费时、费力且顶板管理、积水积气管理难度大等问题。顺利穿过1号老空区后，通过钻探验证，该老空纵向跨度为10 m，顶板垮落岩石约3 m，充填材料两侧流动距离约为10 m。

通过顺利穿过1号老空区，为通过后续老空区积累了丰富经验。