沿顶空巷堆煤分层充填技术

郭世辉

（晋能控股煤业集团赵庄煤业，山西 长治 048000）

矿井由于采掘衔接变化、工作面重新规划等原因，原来已掘进的部分巷道被划入工作面回采范围，需要跨巷回采。工作面过空巷时有瓦斯积聚、片帮、冒顶等风险。空巷形态多样，危害程度不一，需要采取针对性的措施进行治理，才能保障安全回采，并且要尽可能考虑治理方式对煤质、回采的影响。本文以赵庄煤业二号井2307 综放工作面过沿顶空巷为工程背景，设计充填方案并进行效果考察[1-3]，为类似条件下空巷治理提供一定的经验。

1 工程背景

2307 工作面开采煤层为3#煤层，平均煤厚为4.3 m，工作面走向长1160 m，倾向长175.7 m，采用全部垮落、后退式综合机械化放顶煤采煤方法。工作面机采高度为2.8 m，放顶煤厚度为1.5 m，循环进度为0.6 m。

2307 工作面回采过程中会揭露两条平行空巷，分别为探巷1 和探巷2。探巷1 和探巷2 长度均为60 m，宽度均为4.5 m，高度均为3.3 m，探巷内近水平。探巷与工作面位置情况如图1。

图1 空巷与工作面位置示意图

两条探巷均沿顶板掘进。放顶煤工作面支架沿底移架，揭露空巷时，会出现层位错差，如图2。空巷上部1.5 m 为支架支撑范围，下部1.8 m 为采煤机截割范围。支架揭露空巷时，由于支架与空巷间煤柱逐渐变小、空巷与支架层位落差，将会出现数十个支架前方煤壁破碎片帮、支架不接顶、无法移架、大面积空顶问题，极容易发生大面积片帮冒顶事故。

图2 空巷与回采范围层位错差示意图

2 工程特性及基础治理方式

2.1 工程特性分析

（1）空巷体积。空巷体积大致测算1782 m³，属于中小型充填工程，且井下暂无其他空巷充填工程，无后续需求，因此，针对空巷采用的处理方式为井下移动式充填站处理。

（2）空巷危害。空巷与工作面平行，将来工作面会一次性揭露，且空巷与支架支护高度范围存在错差，支架无法接顶，极容易出现大范围冒顶，因此，危害性极大，必须采用全部充填方法治理。非全充方式或者加强支护方式，空巷内仍有大量变形空间，空巷仍旧会发生剧烈变形，无法保证支架安全通过。

（3）空巷完整程度。空巷内支护强度较高，维护情况良好，并不存在冒落情况，具备人员安全进入、施工操作条件。

（4）空巷分层特性。上部1.5 m 为支架支撑范围，充填体需要一定的强度，且充填体要尽量连续、完整，使支架能充分承载，避免出现破碎、掉落；下部为采煤机截割范围，只需充满，无需过高强度，避免材料浪费和给截割带来困难。

根据工程特性，决定采取井下泵站制浆、全部充填的方式进行。

2.2 充填材料选择

常用的充填材料包括：粉煤灰基充填材料、高水充填材料。两种材料优缺点分析如下：

（1）粉煤灰基充填材料，优点在于取材容易，成本低廉，缺点在于凝固性能差，泌水较多，容易漏浆，水灰比可调范围小，材料消耗量大（充填每方空间约需要1 t 干料），运输工程量大，强度增长缓慢。综合来说，粉煤灰基充填材料除了成本低之外，弊端较多。

（2）高水充填材料，优点在于凝固速度快，凝固速度可调，适应水灰比范围大，结实率高，强度增长迅速，材料消耗量小（同等强度要求下，消耗量约是粉煤灰材料的1/4），材料运输工作量小，缺点是价格相对较高。

本次矿方给出50 d 左右的施工工期，考虑井下运输能力制约，决定采用高水充填材料进行充填，加快施工速度。

2.3 基础充填方式

以往的全部充填方案，是对整个空巷全部采用充填材料填充，根据工程概况中对支撑区域和截割区域的描述，认为如果全部采用充填材料充填，截割区域将来必须截割充填体，高水材料充填体截割过程中会出现以下问题：

（1）糊采煤机截齿，污染作业空间。高水充填体含水量大，受到采煤机机械扰动水会被挤出，和充填体形成泥糊状，泥糊状态下的充填体不但糊采煤机截齿，而且会粘接在刮板、转载机上，造成现场作业空间污染，清理困难。

（2）充填体影响煤质。充填体为无机材料，密度与煤体基本相当，在采煤机截割后，与煤体一起运出，无法洗选，如果充填体量过大，会影响煤质。

针对此问题，本次采取“下部堆煤胶结+上部高水充填”的基础方案，其目的在于：

（1）下部堆煤胶结。下部70%以上的空间被煤块堆满，再注浆胶结，形成整体。采煤机截割时，大部分为煤体，对煤质影响较小，也节约了充填材料用量。

（2）上部高水充填。上部为承载区域，必须使充填体均质、强度较高才能保证支架安全承托，上部采用高水充填材料充填，形成完整、连续、均质的人造假顶，保证安全回采。

3 堆煤胶结分层充填方案

3.1 下部堆煤胶结

（1）预埋注浆管

堆煤之前，先布置两趟注浆管，两趟管路分别沿左帮和右帮布置，固定在巷帮上，固定高度距离底板1.2 m，管路采用Ф50 mmPVC 管，2 m/根，从探巷与23071 巷交叉口开始铺设，一直铺设到探巷与23071 措施巷交叉口位置，覆盖探巷全长。在PVC 管上开对穿射浆孔。

（2）堆煤方式

将2307 工作面采出的煤炭，在23071 巷与探巷交叉口卸下，布置一台刮板输送机，将煤块送至探巷内，将煤块堆积，采用倒退式堆积，即先将煤块送至探巷与23071 措施巷交叉口位置，然后逐步堆积、后退，直到探巷与23071 巷交叉口位置，要注意留下实施密闭挡墙的空间。煤块堆积高度不得超过截割高度，即不超过1.8 m。

（3）注浆胶结材料

浆液需要在管路内流动60～90 m，因此，浆液必须具备足够好的流动性。本次选用的注浆胶结材料为调配的高水充填材料，水灰比1.5:1，分为甲料和乙料，分别加水搅拌，单浆流动性较好，输送距离可达1000 m 以上，混合后能够保持15 min 左右流动性，能够保证浆液输送和在煤块中扩散。1.5:1水灰比条件下，浆体2 h 强度约2.5 MPa，1 d 强度约为4 MPa，3 d 强度约为7.8 MPa，7 d 最终强度约为8.1 MPa。实测浆液混合煤块强度约为纯浆体的55%左右。

（4）两端封闭堵漏

在探巷两端各施工一道密闭墙，用于封堵，防止浆液泄漏。闭墙厚度1.5 m 左右，建设高度与空巷高度一致，上端各留200 mm 暂时不封闭，用作观察浆液充填情况。

（5）注浆过程

甲料和乙料按照1.5:1 水灰比分别配置后，单浆分别输送至探巷口，混合后连接PVC 管，进行注浆。注浆结束的标准为，观察浆液将煤块全部覆盖即可。

3.2 上部高水充填

（1）管路布置

充填管路采用Ф50 mm 的钢丝内衬软管。从探巷与23071 交叉口位置往里铺管，管路吊挂在顶板上。由于空巷较长，采用两趟管路，一趟铺至距离探巷与23071 措施巷交叉口往回15 m 位置，另一趟铺至距离探巷与23071 巷交叉口往里15 m 位置，如图3。

图3 充填管路铺设示意图

（2）充填材料

选用高水充填材料，水灰比3:1，单浆流动性较好，输送距离可达2500 m 以上，混合后能够保持25 min 左右流动性，能够保证浆液输送和在空巷内充分流动扩散。3:1 水灰比条件下，浆体2 h 强度约为0.6 MPa，1 d 强度约为2.5 MPa，3 d 强度约为3.2 MPa，7 d 最终强度约4 MPa。

（3）充填过程

利用两端构筑的密闭墙作为挡墙，对探巷进行灌注充填。对长、短两趟管路，可以采用交替充填的方式，防止浆液堆积过高。充填过程中，可以利用闭墙上部留的200 mm 空隙观察充填情况。当浆液快充填到闭墙上沿时，将闭墙上部空隙封堵严实，人员撤出，直至充满为止。

（4）充填设备

充填设备主要由两台定容水箱以及两台高速制浆泵组成。具体参数如下：

① 定容水箱2 台。容积：300～500 L，可调节。

② 高速制浆机2 台。搅拌容积：300～400 L；使用电压：660 V/1140 V；防爆电机：YBKE3-132S-4；电机功率：5.5 kW。

定量水箱提前蓄水、快速供水，高速制浆机快速搅拌制浆，两种料浆成浆通过高速制浆机离心泵泵送并在充填作业点前混合后注入充填空间。

高速制浆系统每小时充填能力约12 m3，按照每天两班充填，每班纯充填时间6 h，则每天充填体积约144 m3。

充填系统连接如图4。

图4 充填系统连接示意图

充填顺序：先实施探巷1，后实施探巷2。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

两条空巷总体积为1782 m3，堆煤空间约为972 m3，消耗1.5:1 注浆胶结材料136 t，消耗3:1高水充填材料243 t。

总工期约37 d，其中堆煤17 d，注浆胶结10 d，上部高水充填10 d。

4.2 效果考察

工作面揭露充填体时，发现浆液与煤块胶结良好，随采随落，回采过程中未发生片帮。支架过空巷期间，顶板充填体完整、连续，未出现破碎、掉落情况。工作面安全顺利通过两条空巷，平均用时1.5 d。

5 结论

（1）工作面过平行空巷且存在层位错差，危害严重，制定了“下部堆煤胶结+上部高水充填”治理方案，在保证安全过空巷的基础上，考虑了对煤质影响的问题。

（2）下部注浆胶结采用1.5:1 高水充填材料，2 h 强度约2.5 MPa，1 d 强度约4 MPa，3 d 强度约7.8 MPa，7 d 最终强度约8.1 MPa；上部充填采用3:1高水充填材料，浆体2 h 强度约0.6 MPa，1 d 强度约2.5 MPa，3 d 强度约3.2 MPa，7 d 最终强度约为4 MPa。

（3）总工期37 d，工作面过空巷时，浆液与煤块胶结良好，顶板充填体完整、连续，回采过程中未出现片帮、漏顶现象，工作面顺利安全通过。