综放工作面走向空巷充填技术的应用实践

耿志新

（晋能控股煤业集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司，山西 朔州 038300）

1 工程概况

1.1 地质生产条件

晋能控股煤业集团虎龙沟煤矿位于山西省怀仁县鹅毛口镇，矿区面积12.207 9 km2，可采储量为9 078.8万t，设计生产能力120万t/a。81511工作面位于煤矿西北角，设计走向长度1215 m，开采5#煤，煤层厚度10.63 m，煤层采高3.3 m，煤层层位稳定，结构简单至较简单。

81511工作面采用单一走向后退式长壁综合机械化放顶煤开采，工作面主要设备配套情况：ZF13000/25/38型综放液压支架97架，MG650/1630-WD型 双 滚 筒 采 煤 机1台，SGZ-10002×855型 中 双 链 刮 板 输 送 机1台，SZZ-1200/525型转载机1台，PCM-525齿辊破碎机1台，BRW-630/37.5乳化液泵4台，BPW-315/16型喷雾泵3台。

1.2 存在的问题

81511工作面在掘进过程中揭露一空巷，其空巷位置情况如图1。

空巷平行于运输巷，呈矩形断面，尺寸宽度×高度=4.5 m×3.5 m，空巷内顶板采用木垛支护。

2 过空巷技术方案的确定

2.1 空巷破坏形式

81511工作面内空巷密闭时间较长，采用木垛支护。该支护条件下巷道顶板岩层下沉断裂，部分巷道顶板发生大面积冒顶事故，顶底板和巷道两帮移近量显著增加，低鼓问题突出，巷道断面收缩率达到60%左右，支护遭到破坏，存在安全隐患，如图2。

图2 81511工作面空巷位置示意图

图2 81511工作面内空巷断面示意图

2.2 81511工作面内空巷治理的难点

（1）空巷与81511工作面推进方向一致，对工作面影响距离大。

（2）空巷为木垛支护，木垛支护阻力小，不能有效控制空巷变形，同时支护设备受侵蚀支护作用已失去，巷道严重失修。

（3）在充填率较低状态下支架易出现空顶现象，同时易发生架前冒顶事故。

2.3 工作面空巷处理方法

（1）用木垛或支柱加强对空巷顶板的支护。该种方法是在工作面前方空巷中采用布置密集支柱或木垛的方式，对空巷顶板进行支护，以保证工作面顺利通过空巷。但该支护方式适合矿压显现小、开采强度低的炮采和普采工作面。

（2）以空巷为切眼重新布置工作面。在工作面接近空巷时即搬家倒面，放弃一定范围内的煤体，在公共位置处重新布置工作面进行开采。但搬家倒面消耗开采成本高，不易采用。

（3）补打锚杆、锚索加固空巷顶板和两帮支护。该方法是在工作面推进至空巷位置前，采用补打锚杆、锚索的方式对空巷顶板及两帮进行补强支护，维护空巷顶板和两帮的完整性，提高巷道围岩稳定性。适合过小跨度空巷，对于跨度大的空巷，应用效果不佳。

（4）空巷充填技术。利用充填材料，在工作面推进至空巷位置前，对空巷内部空间进行全部充填，以保证工作面顺利安全过空巷。采用充填材料对空巷区域进行全部充填是现阶段对于工作面空巷较为有效的处理方式。

2.4 过空巷技术方案的确定

对81511工作面的空巷实况分析可知，木垛或支柱加强对空巷顶板的支护，搬家倒面的方法，补打锚杆、锚索加固空巷顶板和两帮支护都存在一定的安全隐患，为此，确定过空巷技术方案为采用超高水材料全充技术。采用井下移动式充填时，成本低、效果好，且材料来源不受限制，是81511工作面过空巷的一种理想方法，是煤矿实现绿色开采的重要技术手段[1-6]。

3 超高水材料的特性及充填作用机理

3.1 超高水材料的强度特性

该超高水材料由A、B两组分构成，采用铝酸盐、硫铝酸盐、铁铝酸盐等特种水泥为A料，石灰、石膏等胶凝材料为B料，分别掺加一定的外加剂，组成双液注浆充填材料，按1:1配比使用。单液存放较长时间时，和易性也较好。当两种液体混合后，短时间内可以形成以钙矾石为骨架，凝胶体充填其间的硬化体结构，从而使材料具有一定的强度。高水材料水灰比可调范围大，形成的固结体具有适当的膨胀性能，结合水能力较强，单液流动性较好，泵送性能优良。

根据81511工作面的实际情况，通过试验确定超高水材料空巷充填的水灰比为2.5:1。此时材料的抗压强度较好，成本较为合理。

3.2 超高水材料空巷充填的作用机理

（1）超高水材料浆液可对空巷周围破碎煤岩体与空间胶结形成整体结构，可对顶板起到支撑作用，阻止顶板下沉。

（2）空巷充填施工中，超高水材料浆液渗入到煤壁和顶板的缝隙中，能有效地提高煤柱的承载能力，加固空帮和破碎的煤岩体。

4 现场实践应用

4.1 充填工艺及充填站布置

井下移动式空巷充填方式具有灵活、轻便、易操作等特点，对充填条件要求不高，对井下环境适应性比较强，可进行井下流动式充填。移动式充填方式结构组成简单，人员配备少，工艺系统简单易操作。空巷充填材料消耗量大，需采取双搅拌桶循环制浆、连续供浆，因此，移动式制浆站由4台搅拌桶、2个盛浆桶、l台双液注浆泵、混合器和数根液压胶管组成。即：A料、B料各采用2个搅拌桶制浆，每个搅拌桶配置一个吸浆管和一个阀门，通过三通混合成一根吸浆管与吸浆泵连接。搅拌制浆时，一桶供浆，另外一桶制浆。当供浆桶材料使用完毕，切换阀门至制浆桶供浆。循环式制浆能够控制水灰比，保证浆液质量，采用双液注浆泵进行远距离输送，浆液A和浆液B输送到充填地点时，经混合器混合均匀后输送到充填地点。

在工作面运输巷道帮扩一段巷道作为充填站，扩帮长度10 m，扩深2 m，高度为原巷道高度。充填站内的设备布置如图3。

图3 充填站设备布置示意图

4.2 充填关键技术分析

（1）充填施工采取分段分区多次充填方式，可提高空巷充填后的整体接顶效果。

（2）充填施工前，对空巷木垛进行回收，消除割煤安全隐患。

（3）充填施工中，设立专业岗位观测充填浆液情况，及时排除跑浆、不出浆、浆液不凝固等问题。

（4）注浆完成后，在搅拌桶中加入清水并将其打入注浆管中，实现对注浆管路的清洗。

4.3 应用效果分析

虎龙沟煤矿81511工作面采用超高水材料充填过空巷的技术方案，应用效果理想。

（1）空巷中充填超高水材料凝固时间短、稳定，是较好的过空巷充填材料。

（2）81511工作面过空巷过程中，超高水材料充填体强度高，易于采煤机进行直接切割，与割煤效果一致。

（3）开采能有效控制巷道围岩的变形，巷道围岩变形较小，在可控范围内，过空巷时，无一起安全事故发生。

（4）81511工作面超高水材料充填施工，避免了空巷内顶板支护作业和工作面空顶作业，工作人员劳动强度大幅度降低，工作效率大幅度提高。

5 结论

以虎龙沟煤业81511工作面过空巷为研究目标，在对空巷破坏形式及治理难点分析的基础上，确定了81511工作面采用超高水材料充填过空巷的技术方案，并进行了工业性试验。实践应用效果表明：超高水材料充填技术过空巷能有效控制巷道围岩的变形量，避免支架上方的空顶和冒落，有效保证了工作面81511工作面开采的安全性。