综采工作面过空巷注浆充填加固技术应用研究

徐 欣

（山西汾西正善煤业有限公司，山西 孝义 032311）

矿井开采设计变更或者超前布置探巷等均会导致空巷。随着采面与空巷间距的缩小，空巷受到采动动压影响更为显著，若不对空巷围岩进行加固，轻则导致空巷围岩支护体系失效、采面与空巷间煤柱变形加急，重则导致采面生产停滞、矿压显现异常[1-3]。因此，采取合适的空巷加固技术方案对确保采面过空巷安全具有十分重要的意义[4-5]。文中以21105综采工作面过空巷为工程实例，提出采用高水充填材料对空巷进行加固，现场应用后确保了采面过空巷安全。研究成果可为其他矿井空巷加固提供参考借鉴。

1 工程概况

山西某矿21105综采工作面开采11号煤层，采面南侧为已回采完毕的21103采空区、北侧及东侧为实体煤、南侧为采区集中运输、通风巷道。11号煤层埋深平均360 m，厚度4.8 m，煤层结构中等-复杂，内部夹杂1-3层泥岩加矸（矸石厚度在0.2 m），倾角平均9°，顶底板岩性以泥岩、细粒砂岩为主，具体岩性参数见表1。采面回采巷道、切眼掘进过程中揭露2条断层，在采面切眼前方550 m为主有开采变更引起的空巷，具体位置见图1所示。

图1 采面空巷位置示意图

表1 顶底板岩性

空巷与采面切眼平行，长度为120 m，断面为矩形（宽×高=4.4 m×3.8 m）。空巷围岩采用锚索网进行支护，锚杆、锚索规格分别为Φ20 mm×2 000 mm、Φ17.8 mm×6 200 mm，锚杆、锚索间排距分别为1 330 mm×1 000 mm、1 200 mm×1 000 mm。为了确保采面过空巷安全，提出采用注浆充填加固方式对空巷围岩进行控制。

2 空巷充填加固技术

2.1 空巷充填加固材料

选择充填加固材料时应综合考虑充填加固成本、充填材料使用量以及充填效果等[6]。现阶段煤矿井下常用的充填材料类型包括有水泥浆液、化学浆液以及高水充填材料等。其中水泥浆液存在析水率高、结石率底以及凝结时间过长等问题；化学浆液在注浆时容易释放有毒有害气体，同时注浆加固成本相对较高；高水充填材料具备凝结时间可控、渗透性好、无析水以及注浆充填加固成本低廉等优点。根据21105综采工作面空巷围岩岩性、支护参数以及巷道位置条件，提出采用高水充填材对空巷进行注浆充填加固。依据空巷埋深、采面开采情况以及采动动压影响等，确定空巷充填后充填体强度应在4 MPa以上。因此，应以4 MPa为参数对高水充填材料配比参数进行确定。

在实验室对不同配备的高水充填材料在2 h、24 h以及7 d后强度进行测试，具体测试结果见图2所示。

图2 不同水灰比下高水充填材料强度变化曲线

从图2看出，在水灰比保持不变的情况下，高水充填材料随着凝结时间的增加，强度呈现显著增加趋势；在相同条件下随着水灰比增加，高水充填材料凝结时间越长，凝结后形成的充填体强度更低。从凝结后充填材料强度方面分析，可选择24 h充填体强度达到4 MPa以上的水灰比。从图中看出，水灰比在4以下时，凝结后的充填材料强度可满足要求，但是水灰比越大、充填材料使用量越少，注浆充填加固费用越低。为此，将高水充填材料水灰比确定为4∶1。

2.2 空巷注浆充填加固方案

将高水充填材料运送至充填位置的方法包括有机械器具运送或者人力运输，运输管线等两种方式。根据21105综采工作面位置以及采面开采条件，文中提出采用管线方式将高水充填材料运送至空巷位置进行充填。参考已有的空巷充填技术实践，空巷充填工艺包括有开放式充填、混合式充填、全袋式充填以及分段阻隔充填等技术方式。根据21105综采工作面空巷实际情况，由于采面内空巷底板有较大起伏，为此决定采取分段阻隔充填法对空巷进行充填加固。采用阻隔充填法时，充填不需要考虑空巷底板起伏，充填过程简单，充填加固成本相对较低。具体采用的阻隔充填法见图3所示。

图3 阻隔充填法示意图

为了减少空巷对采面矿压显现影响，在采面过空巷期间适当进行调斜。具体调斜角度依据空巷长度、宽度以及采面斜长等参数确定，采用理论计算方法得到采面最小调斜角应为2.1°（调斜角应大于arctan（4.4/120）=2.1°）。为了便于采面生产，最终将采面调斜角度设计为3°，具体调斜后采面与空巷位置示意图见图4所示。

图4 调斜后采面与空巷位置示意图

3 空巷注浆充填加固效果分析

21105综采工作面内空巷分布长度为120 m，影响采面液压支架编号为1~80架。空巷充填加固效果会直接影响采面过空巷期间液压支架工作阻力变化情况、采面煤壁片帮情况。在采面过空巷期间对液压支架工作阻力进行监测，监测发现1~80号液压支架工作阻力变化趋势与80号支架以外的支架基本一致，液压支架工作阻力变化波动范围均未在以往范围内。表明空巷充填加固方案可满足现场采面空巷围岩控制需要，可为采面煤炭回采创造良好条件。

对采面过空巷期间煤壁片帮情况进行监测，从监测结果看出，采面在过空巷期间煤壁片帮最大深度为0.37 m，一般情况下片帮均在0.12 m以内；整个采面片帮长度最大为3.5 m，一般情况下片帮长度均在1.2 m以内。煤壁片帮程度较小，不会给采面正常回采带来显著影响。现场应用表明，采取高水充填材料对空巷进行加固后，充填体可有效控制空巷围岩变形，现场取得较好的应用效果。

4 结语

21105综采工作面前方550 m位置存在有一条与切眼平行、长度为120 m的空巷，若不采取措施加固空巷则在采面采动影响下空巷原有的围岩支护体系会有失稳风险，从而给采面正常回采带来较大的威胁。为此，提出采用高水充填材料对空巷进行加固，并依据采面实际情况对充填加固技术方案进行设计。现场应用后，充填体可有效控制空巷围岩变形，采面过空巷期间液压支架工作阻力未有明显变化、煤壁片帮发生率未有明显增加。表明在采面采取的空巷注浆充填加固技术方案可满足采面过空巷需要。