高水充填材料在回采工作面过空巷中的应用

李朝珑

（山西新村煤业有限公司，山西 长治 046000）

在矿井开采过程中，受采掘巷道布置、开采需要或周边小煤窑无序开采等因素影响，造成一些空巷，在工作面回采期间经常揭露穿过这些空巷。若不提前对空巷采取一些加固措施，则工作面在过空巷回采期间经常会出现煤壁片帮、 顶板冒落等事故，严重制约工作面安全高效生产。 加固空巷方法一般采用人工支设木垛、 打设坑木或单体液压支柱点柱等方法[1-2]。虽然这些加固方法简单，但其支护强度往往达不到要求，在工作面过空巷过程中经常发生木垛倒塌、点柱压断等问题，给工作面回采造成较大影响。 近年来，随着充填工艺、技术的不断发展和充填材料的不断改进，充填体强度已达到满足支护空巷顶板，保证工作面安全快速通过空巷的要求，从而被许多矿井推广应用。 基于此，本文以晋能控股常村煤矿22121 工作面为工程背景，拟采用高水材料充填加固过空巷技术，以实现工作面安全快速通过空巷。

1 工程概况

常村煤矿22121 工作面位于22 采区西翼，工作面北部为设计22101 工作面，南部为设计22141工作面，东部为22 下山保护煤柱，西部为22121工作面西段采空区。 工作面设计走向长825 m，倾斜长180 m，主采5 号煤层，煤层平均厚度5.8 m，平均倾角12°。工作面煤层顶底板情况如表1 所示。

表1 工作面煤层顶底板情况

在22121 工作面中上部布置有一条约280 m长的放水巷，该巷道与工作面平交（如图1 所示），目前该巷道已废弃。 因22121 工作面回采过程中需通过该空巷，对工作面正常回采造成较大影响。为减少过空巷对工作面回采的影响，保证工作面安全高效回采，对该空巷采用高水材料进行充填加固。

图1 22121 工作面平面布置

2 充填材料性能

高水充填材料是一种水硬性材料，其水灰比一般为6.5：1～11:1。它主要由特种水泥复合矿化剂、 石灰与石膏以及复合缓凝剂与复合强化剂等组成，固化后形成钙矾石，具有早强、速凝、快硬、流动性高等特性[3-4]。超高水材料主要分为A、B 两种组份，当A、B 两种组份混合后，水含量在91%～97%时，凝结7d 后材料抗压强度能够达到0.35～3.2 MPa，凝结15d 后其抗压强度能够达到0.65～3.83 MPa，具体情况如图2 所示。 A、B 两种组份材料单独加水搅拌后，在40 h 以内不会凝固，在24 h 内其粘稠度基本无变化，因该材料含水性非常高，且混合后桨体粘稠度低，其流动性和可注性极强，能够满足在管路中进行远距离输送的要求。

图2 充填体在含水量不同条件下抗压强度随时间变化曲线

3 充填技术方案

3.1 充填工艺

对空巷采用高水充填材料进行充填加固工艺，是利用专用充填泵站中的自动搅拌器内添加超高水材料和水，按照确定的水灰比配制成A、B两种以水为主要成分的具有高流动性的浆体，然后利用充填泵站分别通过两条高压胶管将A、B 两种浆液输送充填区域，在即将进入充填区之前将两种浆液进行混合，使流入充填区的混合浆体在可控时间内胶结、凝聚，达到设计强度，以实现充填空巷，控制空巷围岩变形，避免顶板下沉[5-6]。 受巷道地形影响，空巷存在顶底板起伏不平现象，为防止充填材料不能对巷道全断面进行充填加固，采取分段充填作业，在充填作业前，需提前在空巷内构建止浆墙。 充填工艺流程如图3 所示。

图3 空巷充填施工工艺流程

3.2 充填浆液配比

在进行充填浆液配比选择时既要保证固结体抗压强度满足支护加固安全的要求，同时也要考虑经济效益。 因此，在进行22121 工作面流水巷充填作业时，高水材料A、B两组份的比例按照1:1 进行配比，高水材料的水灰比确定为7:1，浆液初凝时间在4～6 min，固结体单轴抗压强度平均达到1.6 MPa 以上。 采用上述条件配比出的浆液粘稠度较低，具有较好的流动性和渗透性，在无墙体阻挡的情况下可轻易流动到空巷充填区域，将空巷全部充填满，以达到巷道的全断面充填加固的目的。

3.3 充填施工方案

在22121 工作面进行充填加固作业时，采用近距离制浆和管路输送、 低压大流量注浆的方式进行注浆施工。 注浆作业前先自22121 上顺槽与流水巷交叉口位置开始，垂直煤壁侧向流水巷内施工注浆钻孔，开孔位置距巷道顶板0.8 m，钻孔间距为10 m。 钻孔施工完毕后利用钻孔进行充填作业，钻孔终孔注浆压力控制在5～10 MPa，浆液横向扩散半径达到6～10 m，最终浆液充填高度在3～5 m。 为检验充填效果，在完成注浆后沿煤壁侧向流水巷内施工探查孔进行检验，对存在空隙的区域重新进行注浆，确保注浆区域固结体形成一个整体。

因受22121 工作面流水巷内巷道顶底板起伏影响，巷道断面不统一，因此在进行充填作业时对巷道构筑止浆墙进行分段注浆充填。 根据流水巷断面不同将巷道共划分为6 个充填区域，分别在每两个区域的交界处构筑止浆墙，墙体厚度1.5 m，高度覆盖巷道全断面，如图4 所示。为防止止浆墙墙体垮落，必须在止浆墙构筑时间达到24 h后方可对流水巷进行充填作业。 根据现场测量，巷道内6 个充填区域的注浆量如表2 所示。

表2 流水巷内各段充填区域注浆量情况统计

图4 流水巷分段注浆充填作业

4 应用效果

为检验高水充填材料充填加固效果，在22121工作面过空巷回采期间对工作面液压支架压力变化情况进行了观测分析。 将工作面在距流水巷不同距离位置时空巷影响范围内的液压支架工作阻力变化观测数据进行收集整理后，绘制出变化曲线如图5 所示。

图5 工作面过空巷回采期间支架压力变化曲线

对图5 分析可知，当工作面回采至距流水巷25 m 时工作面液压支架工作阻力开始出现大幅度增大；当工作面回采至流水巷位置时，工作面液压支架压力为11 543 kN，达到最大值。 当工作面通过流水巷以后，支架压力逐渐减小；当工作面通过空巷距离达到20 m 后，支架工作阻力减小到6 186 kN；随后继续向前推进过程中，支架工作阻力变化达到正常波动范围，表明工作面已不受空巷影响。

在22121 工作面过空巷回采过程中，工作面未出现大面积煤壁片帮和冒顶现象，在空巷影响区域的前后10 m 范围内的煤壁局部出现少量片帮，片帮深度在250～450 mm，其他区域均未出现明显片帮；工作面顶板未发生明显下沉现象。 通过对液压支架立柱行程变化情况进行观测，仅有在空巷影响区域内的个别支架立柱行程降低150～250 mm，个别支架安全阀出现了开启，未对工作面回采造成较大影响，工作面安全快速通过了空巷。由此表明，22121 工作面过空巷回采时，采用高水充填材料对空巷进行超前加固效果良好，达到预期效果。

5 结语

为保证常村煤矿22121 工作面过空巷回采期间安全，结合工作面地质资料及现场实际情况，拟定工作面采用高水充填材料超前加固空巷技术方案；针对高水材料性能，确定了充填材料的配比方案，并制定了充填施工工艺流程和具体充填施工方案。 现场应用表明，在22121 工作面流水巷内超前进行充填加固后，工作面回采期间煤壁未出现大面积片帮，顶板未出现大幅度下沉现象，工作面安全顺利通过空巷，效果良好，达到了预期目的；该技术方案的成功应用可为类似条件下工作面空巷回采提供技术参考。