沁和能源候村煤矿高水材料巷旁充填技术分析

陈朝飞

（沁和能源集团有限公司候村煤矿 山西晋城048205）

0 引言

据统计研究我国70%以上的国有煤矿为高瓦斯矿井，瓦斯排放量呈现逐年增大的趋势，受煤层透气性能及井下复杂开采系统布置的影响，容易在工作面上隅角等位置形成瓦斯积聚现象[1]。沁和能源集团有限公司候村煤矿为高瓦斯、大地压矿井，由于煤层致密、裂隙不发育，采动之前难以抽采瓦斯。采前预抽加U型通风也不能有效解决隅角瓦斯积聚的问题[2]，沿空留巷是在上区段工作面采过后，将运输巷保留下来作为区段工作面开采时的回风巷，又称作“一巷两用”，可以形成长壁工作面Y形“两进一回”的通风方式，在提高煤炭资源采出率的同时，还能有效优化进回风路线，避免工作面上隅角出现瓦斯积聚现象，因此在有条件的矿井采用工作面Y形通风布局方式能够更好地解决工作面瓦斯积聚的难题[1]。但是这种开采方式对工作面的地质条件有一定的要求，同时巷道的变形量要控制在一定范围内，且支护压力不能过于强烈，充填开采可较好的满足上述支护控制要求。

中国矿业大学研发的新型高水充填材料（以下简称高水材料）是一种能在高水灰比条件下快速凝结的无机充填材料[1,3-5]。材料本身和相关技术已经完善，并在多个矿务局现场实施，留巷效果良好。高水材料分甲料、乙料两组分，甲料、乙料单独与水混合24 h不凝结，为避免管路堵塞和一定条件下不冲洗管路创造了条件，与其它水泥类材料相比，新型高水材料具有许多技术优势。

1 工作面概况

22301工作面井下位于北三盘区右翼，西接北三回风巷，东至北一盘区边界煤柱，与22118采空区最短间距36 m，南邻22303工作面（未布置），北邻B2301工作面（未布置），其采掘工程平面图见图1所示。

图1 22301工作面采掘工程平面图

22301工作面平均长度2 652 m，工作面倾斜长度205 m，工作面沿2#煤层回采，煤层厚度4.15 m～5.50 m，平均4.75 m煤层最大倾角8°，最小倾角2°，平均约4°。该煤层顶底板情况见图2所示。

图2 22301工作面综合柱状图

22301工作面采用MG750/1780-GWD型双滚筒采煤机双向割煤，进刀深度为0.86 m；采用采煤机螺旋滚筒配合SGZ-900/1050型可弯曲刮板输送机装煤；工作面采用SGZ-900/1050型可弯曲刮板输送机、SZZ-900/315型桥式转载机、PCM200型破碎机及DSJ120/180/3×400型胶带输送机运煤。

2 新材料物理力学性能

2.1 速凝早强特性

高水材料甲、乙两组份分别加水搅拌后长时间不凝固，但当两种浆体混合后20 min内可初凝。在实验室标准测试条件下（水灰比为1.5:1），初凝时间可控制在15 min以内，2 h抗压强度可达2.1 MPa，24 h抗压强度可达到5.6 MPa，7 d抗压强度可达10.36 MPa，28 d能达到10.82 MPa。1 d强度达到最终强度的50%以上，7 d强度可达到最终强度的90%以上。高水充填材料强度随时间变化关系详见图3所示。

图3 高水材料各龄期强度

2.2 抗压强度与水灰比的关系

图4为7 d龄期时高水材料单轴抗压强度与水灰比的关系图。从该图可以看出，高水材料单轴抗压强度与水灰比成反比关系，水灰比越小，用水量越少，凝结体强度就越高，单位体积充填需要使用的高水材料越多。反之，水灰比越大，用水量越多，凝结体强度就越小，单位体积充填需要使用的高水材料越少。0.5:1～0.75:1是普通水泥混凝土经常使用的水灰比范围，此种条件下高水材料抗压强度可达到30 MPa～50 MPa。根据高水材料与水灰比的关系，调节水灰比改变充填体抗压强度可以满足多种强度的工程需要。

图4 高水材料单轴抗压强度与水灰比关系

2.3 高水材料的变形性能

在水灰比1.5:1条件下，利用MTS815型刚性伺服机测得高水材料7 d龄期的全应力应变曲线和变形特点如图5所示。

图5 高水材料全应力应变曲线

从图5看出，高水材料具有突出的塑性特征，在载荷达到峰值强度后，高水材料并不立即完全破坏丧失承载能力，而是随着应变的进一步加大，承载能力呈缓慢下降趋势，承载能力随应变增加缓慢下降的速度远小于一般的混凝土和岩石材料。该水灰比的高水材料峰值抗压强度为10.36 MPa，当应变达到10%时，其抗压强度还维持在峰值强度的65%以上，应变继续增加达到18%，残余抗压强度为峰值的59%左右。因此，高水材料巷旁支护体呈现明显的塑性特征，在压力作用下可以允许产生较大的塑性变形，强度衰减比较缓慢，可以维持较高的残余强度。

3 新材料充填技术优势

相比较矸石沿空留巷技术和混凝土沿空留巷技术，高水材料沿空留巷技术具有以下优势：

3.1 工艺简单

高水材料沿空留巷技术与其他沿空留巷技术相比，工艺系统非常简单，设备初期投资很少。

3.2 可长距离输送

高水材料沿空留巷工艺用水量大、浆液流动性好，易于通过管路泵送，并且单浆液长时间内不凝结，能够实现长距离泵送运输，很好地适应复杂的井下生产环境，机械化程度高，生产效率高。

3.3 减少矿井水处理和排放费用

高水材料沿空留巷技术能够大量利用矿井水，减少了矿井水处理与排放及其相关费用，同时又能够提高煤炭资源回收率，符合国家节能减排和提高资源回收率的相关鼓励政策，社会和生态效益显著。

3.4 保持留巷稳定性

高水材料充填体强度可人为控制，初期支护阻力大、增阻速度快、恒阻性能好、与顶板接触效果好，能够适应顶板下沉而让压，并且充填体中置入的锚栓的作用使得充填体整体支护稳定性好。能够满足巷旁支护控制顶板和切顶的要求，有效地减少顶板下沉量与巷内支架承受的载荷，为留巷成功提供保证。

3.5 有效隔离留巷与采空区

阻燃抗静电充填袋，将充填袋的富余量留在顶板上，利用泵压将充填浆液与顶板紧贴，凝固后的充填体能够很好地把采空区与巷道隔离开，能有效防止瓦斯爆炸和火灾，提高了矿井开采的安全性。

3.6 充填开采沿空留巷的经济性

侯村矿22301工作面沿空留巷使下一区段少掘约1 600 m巷道，巷道掘进成本约为5 000元/m，巷道掘进总费用为800万元。留巷后，可回收宽度20 m的区段保护煤柱，煤层平均厚度4.75 m，留巷长度1 600 m，煤炭容重1.35 t/m3，回采率按照95%计算，则回收原煤194 940 t，吨煤售价按700元计算，回收煤柱所得效益为13 645.8万元。22301工作面沿空留巷1 600 m，每米留巷成本14 200元，沿空留巷总成本为2 272万元。综上，22301工作面采用沿空留巷能够产生12 173.8万元的直接经济效益，此外可大大减少瓦斯治理成本。

4 结论

采掘接续限制着候村煤矿的高产高效候村煤矿产量大，采掘接续紧张，严重制约着矿井的高效生产。在候村煤矿采煤工作面地质与开采条件普遍较好的条件下，推行新材料巷旁充填沿空留巷技术可有效减少回采巷道维护量，提高矿井的生产效能。