注浆充填技术在综采工作面过空巷中的研究应用

范卫军

（山西晋煤太钢能源有限责任公司，山西 吕梁 033207）

1 概 况

1.1 工作面概况

王庄煤矿13031 综采工作面位于该矿13 采区东翼，工作面北为13051、13071 工作面采空区，西为13 采区轨道、胶带、回风上山，东部、南部为矿井井田边界保护煤柱。工作面设计走向长875 m，倾斜长180 m，工作面主采二1 煤层，煤层厚度3.5～5.2 m，平均4.5 m，煤层倾角6°～18°，平均12°。工作面煤层赋存疏松，属于典型的松软不稳定煤层，煤层结构简单，不含夹矸，煤层呈黑色，块状、粉末状、鳞片状，具玻璃光泽，半亮型煤，f=0.15，煤层埋深506～719 m。煤层顶底板情况见表1。

表1 13031 工作面煤层顶底板情况Table 1 Coal seam roof and floor situation of Face No.13031

王庄煤矿13031 工作面运输巷和切巷在掘进过程中揭露2 条断层，为确定断层的具体产状，保证工作面掘进和回采安全，在工作面掘进期间，在距切眼580 m 位置平行于切眼方向施工1 条探巷，用于探查断层具体情况，探巷与工作面切眼平交（工作面巷道布置如图1 所示），在工作面回采期间，需跨空巷回采，给工作面顶板和煤壁管理带来极大困难。

图1 13031 工作面巷道布置示意Fig.1 Roadway layout of Face No.13031

1.2 空巷原支护方式

13031 工作面空巷（探巷） 沿巷道顶板掘进，沿煤层倾向布置，巷道总长度130 m，平均坡度10°，巷道断面宽×高=4 000 mm×3 300 mm，巷道原支护形式为锚网索支护，顶部采用φ20 mm×2 400 mm 的左旋无纵筋锚杆支护，帮部采用φ20 mm×2 000 mm 的左旋无纵筋锚杆支护，锚杆间排距800mm×900mm，顶部同时布置2 根φ17.8 mm×6 200 mm 锚索补强支护，锚索间排距1 600 mm×1 800 mm。巷道支护示意如图2 所示。

图2 13031 工作面探巷原巷道支护示意Fig.2 Roadway support of Face No.13031

2 空巷充填加固强度模拟研究

2.1 模型建立

为保证工作面过空巷期间的安全，提前对空巷采取充填加固措施。为确定巷道充填体的合理强度，结合13031 工作面地质条件和现场实际情况，利用FLSC3D 软件建立空巷充填加固三维数值模型进行模拟分析[1-2]。建立模型的规格尺寸为长×宽×高=240 m×240 m×90 m，其中设计煤层厚度为4.5 m，顶板岩层总厚度设计为62.5 m，底板岩层厚度设计为23 m。模型中，工作面切眼沿模型宽度方向布置，长度为180 m，工作面沿模型长度方向推进，模拟向前推进回采120 m，工作面空巷设计布置在模型左侧。

2.2 模拟试验

模拟试验开始时，首先进行13031 工作面回采巷道和切眼的掘进及支护，再进行探巷的掘进支护，探巷形成后对巷道内充填不同强度的充填体，模拟13031 工作面向前推进回采过空巷试验。根据煤柱宽度不同，模拟试验情况，整理得到如图3 所示结果。

图3 空巷巷道顶底板围岩变形规律Fig.3 Surrounding rock deformation law of roof and floor of abandoned roadway

由图3 模拟结果分析可知，当工作面与空巷之间的煤柱宽度逐渐减小时，空巷巷道围岩变形范围和顶底板变形量逐渐增大，当工作面与空巷之间的煤柱宽度在15 m 以下时，巷道围岩塑性变形区域贯穿整个煤柱内。根据空巷巷道顶底板围岩变形规律，当煤柱宽度小于10 m 后，巷道顶底板围岩变形量急剧增大，由此可知，工作面与空巷间的煤柱宽度安全值为10 m，若不采取措施对空巷进行充填加固，在工作面回采至距空巷小于10 m 位置后，空巷巷道围岩会产生严重破坏变形，影响工作面安全回采。因此，工作面必须在回采至距空巷大于10 m 位置时，采取充填加固措施，且充填体必须达到设计支护加固强度。

为确定充填空巷时充填体需达到的支护加固强度，模拟工作面距空巷间距5 m，充填体强度分别达到1～6 MPa 强度时的充填体变化情况。根据模拟结果，整理后得到图4。分析可知，随着充填体强度的逐渐增大，其整体的压缩变形量及横向变形量均呈现逐渐减小趋势。当充填体从2 MPa 增加到4 MPa 时，其变形量明显减小；当充填体强度从4 MPa 增加到6 MPa 时，其变形量变化趋势明显减缓。由此可知，在充填体强度达到4 MPa 时，即可对空巷起到有效支护加固作用，当继续增大其强度后，对提高巷道支护加固强度效果不明显，而且充填体强度过大，在工作面采煤机割煤时，增加了割煤难度，因此在对空巷进行充填时，充填体强度达到4 MPa 为最佳。

图4 不同强度充填体变形曲线Fig.4 Deformation curves of filling bodies with different strength

3 空巷充填技术

3.1 充填材料选取

在选取空巷充填材料时不仅要考虑充填效果，还要考虑材料用量及成本因素。目前矿井常用的充填材料主要有树脂化学材料、水泥砂浆及高水材料等，其中树脂化学材料一般都会产生有毒有害气体或物质，且成本较高，水泥砂浆在充填作业时凝固时间较长，存在结石率低、析水量达等缺点[3-4]，而高水材料使用过程中不会产生有毒气体和物质，且其渗透性、流动性较好、无析水，凝固时间可以调节控制，价格低廉[5-6]。综上，在对13031 工作面空巷进行充填加固时，选用高水材料效果较好。

在选用高水材料对空巷进行充填加固时，为保证充填体强度能够达到4 MPa 以上，需提前确定高水材料浆液的水灰比。在实验室进行水灰比配制时，采用三轴压缩实验对高水材料浆液分别在凝固2、24、7 d 后的强度进行测定，根据测定结果绘制出如图5 所示曲线图。

图5 不同水灰比配比条件下充填体强度Fig.5 Strength of filling body under different water cement ratio

分析可知，浆液水灰比相同时，凝固时间越长，其形成的结石体强度就越高；在相同凝固时间内，水灰比越大，其形成的结石体强度就越低。根据实验结果，在确定选取合理水灰比时，从浆液凝固后形成的结石体强度和材料成本等方面综合考虑，可选择水灰比为4∶1 时，凝结时间为24 h后，结石体强度能够达到4 MPa 以上要求的高水材料。

3.2 空巷充填施工方案设计

根据13031 工作面现场实际开采条件，设计采用注浆泵配注浆管路的方法将浆液运送至13031 工作面空巷内进行充填作业。

参考已有的巷道空区充填工程技术实践研究[7-8]，充填巷道空区的工艺方法主有充填袋式充填法、直接开放式充填法、混合式充填法和分段阻隔式充填法。结合13031 工作面空巷现场地质条件和实际情况，考虑到13031 工作面空巷内底板坡度不一致，巷道起伏不平，各段巷道内充填的浆液量大小不一致等情况，决定采用分段阻隔式充填法对空巷进行充填，即根据空巷内各段巷道的不同情况，从里向外分段建立阻隔墙注入浆液进行充填，该方法不仅操作简单，而且不需要使用充填袋，成本较低，其充填工艺原理如图6 所示。

图6 分段阻隔式充填工艺Fig.6 Segmented barrier filling technology

为防止工作面过空巷时一次性揭露空巷导致暴露出顶板面积过大造成工作面液压支架承载的载荷过大，影响工作面安全回采，在过空巷前提前对工作面进行调斜，使工作面切巷成伪倾斜布置。工作面调斜角度大小由揭露的空巷宽度与其巷道长度的比值确定的。

式中：α为工作面调斜角度，（°）；d为揭露的空巷巷道宽度，取4 m；L为空巷的长度，取130 m。

根据式（1） 计算为1.8°，从而确定工作面合适的调斜角度为2°。工作面调斜布置情况如图7 所示。

图7 工作面过空巷调斜布置示意Fig.7 Indication of inclined adjustment arrangement of working face crossing empty roadway

4 应用效果分析

13031 工作面空巷倾斜长为130 m，对工作面液压支架工作阻力变化进行监测，结果显示工作面过空巷期间，液压支架的工作阻力均未超过其正常回采时的最大值，液压支架的工作阻力与正常回采时的工作阻力变化无明显差异，由此表明，空巷充填加固效果达到了设计要求。

在工作面过空巷回采期间，同时对工作面煤壁片帮情况进行了现场监测统计，具体情况见表2。由表2 可以看出，工作面在过空巷回采期间，煤壁发生片帮的深度最大为0.41 m，片帮总长度最长为6.2 m，与正常回采期间煤壁发生片帮情况相差不大，由此表明，空巷采取充填措施后，对工作面顶板起到良好的支撑作用，降低了揭露空巷后形成的大面积围岩应力对煤壁产生的破坏作用，达到了设计效果要求。

表2 13031 工作面煤壁片帮观测统计情况Table 2 Statistics of coal wall spalling observation in Face No.13031

5 结 语

为保证13031 综采工作面过空巷回采期间的安全，根据工作面地质条件和现场实际情况，利用FLSC3D 软件进行数值模拟研究分析，结果表明，空巷若不提前采取充填加固措施，当工作面与空巷之间的煤柱宽度剩余15 m 以下时，巷道围岩塑性变形区域贯穿整个煤柱内，当煤柱宽度小于10 m，巷道顶底板围岩变形量急剧增大。因此，工作面过空巷前必须对空巷采取充填加固措施，确保工作面安全通过空巷。通过对比分析，选取高水材料作为充填材料，水灰比为4∶1，充填体强度达到4 MPa时，不仅能够达到空巷加固要求，而且投入成本较低。经现场监测，对空巷进行充填加固后，工作面过空巷回采期间，液压支架的工作阻力及煤墙片帮情况与正常回采时的情况无明显差异，由此表明，充填方案达到了设计要求，工作面安全顺利通过空巷。