盛鑫煤业地面灌注老巷充填技术研究与应用

冯海宁，祁 旭，杨 晋

（鄂尔多斯市盛鑫煤业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

0 引言

长期以来，由于地质条件或开采技术水平的限制，许多小煤矿存在以掘代采的情况，对开采后的巷道未进行处理，形成大量的空巷，容易积聚瓦斯、老空水等[1-3]。布置综采工作面后，在工作面超前支承压力的影响下，老巷极易发生冒顶，诱发安全事故，严重影响安全生产。传统的过老巷方式主要有重新开切眼、木垛支护、注浆加固等，在不同矿井得到了应用[4-6]。但传统的过老巷方式存在成本高、效率低、对生产影响大的问题，推广应用前景小。为此，结合内蒙古盛鑫煤业42201 工作面中存在的老巷问题，开展了老巷充填技术的研究，取得了较好的效果。

1 概 况

1.1 地质生产条件

盛鑫煤矿42201 工作面所采煤层为4-2 煤，煤层厚度1.62～2.70 m，平均厚度2.39 m，煤层结构简单，顶底板岩性见表1。工作面宽216 m，倾斜长度1 384 m，标高为1 330—1 348 m，地面标高为1 388—1 435 m。工作面安装Y10800/14/30 两柱型掩护式液压支架119 架，初撑力为7 916 kN，工作阻力为10 800 kN，支护强度为0.84～1.18 MPa，底板比压为1.76～2.09 MPa。

表1 4-2 煤顶底板岩性Table 1 Roof and floor lithology of No.4-2 coal

1.2 工作面老巷情况

1.2.1 老巷位置

工作面范围内存在小窑破坏区，曾经布置有综采工作面切眼及巷道，但未回采。老巷与工作面的 位置关系如图1 所示。

图1 位置关系Fig.1 Position relation

1.2.2 老巷变形特征

由于42201 工作面回采范围内空巷成巷时间较早，巷道变形量大。与两个顺槽老巷相比，老切巷由于巷道跨度大，断面大，变形更为严重。切巷顶板呈现弯曲下沉，中间下沉量大，两帮向巷道内鼓出，部分区域严重底臌，巷道断面收缩率普遍在50%～60%，严重区域可达80%以上。巷道整体变形情况如图2 所示。

图2 老巷变形特征Fig.2 Deformation characteristics of old roadway

2 老巷充填设计

2.1 充填方案的确定

常规的老巷充填方式是在井下建立充填泵站，将充填材料运输到井下，在工作面两巷中制浆，将浆液充填到老巷中[7-8]。

盛鑫煤矿42201 工作面埋深较浅，在100 m 左右，为减小井下运输量，拟采用地面灌浆充填方式。即在地面利用定向钻孔施工至待充填的老巷中，在上方建立充填泵站，利用管路将浆体充填到老巷中。

2.2 充填材料的选择

当前常用的老巷充填注浆材料主要有波雷因化学材料[9]、（似）膏体材料[10]和高水材料[11-13]等。与化学材料、膏体材料相比，高水材料具有工艺简单、固体用量少、成本低的特点，适用于充填量较小老巷充填、巷道密闭等工程。

不同水固比、不同龄期的高水材料强度见表2[14-15]。

表2 高水材料强度Table 2 Strength of high water material

为实现对老巷顶板的有效支撑，要求充填体具有一定的强度，同时考虑到经济因素，确定选用4.0∶1 的高水材料，7 d 强度可达1.2 MPa，最终强度可达2.3 MPa 以上。

2.3 地面充填站布置

高水材料由甲、乙两种材料组成，使用时先分别制成浆体，单独输送，在距离充填地点一定距离时混合到一起，半小时左右混合液凝固支撑顶板，注浆设备布置如图3 所示。

图3 注浆设备配置示意Fig.3 Grouting equipment configuration

为方便注浆，在地面建设注浆站，占地范围为50 m×50 m（长×宽），主要设备见表3。

表3 地面充填站主要设备Table 3 Main equipment of ground filling station

为满足充填用水，在充填站建设蓄水池1 座，储水量不小于120 m3，配备供水泵2 台。充填站配电柜1 台，所有电器设备均配套足够的备件、线缆等相关配件。

2.4 充填钻孔布置

在切巷及两端头布置充填钻孔11 个，钻孔开孔直径为150 mm，施工过程中，在地表松散土层段下套管。钻孔终孔位置在井下空巷处。钻孔布置如图4 所示。

图4 充填钻孔布置Fig.4 Layout of filling borehole

切巷长度为140 m，为保证充填效果，将两顺槽同时充填35 m，充填空间为2 000 m3，预计材料用量500 t。

3 现场应用

3.1 充填工艺

（1）连接管路。将输料管路φ25 mm 高压管连接好，并在注料口用铁丝将隔水布的充填孔与输料管路扎好。

（2）配料制浆。按4∶1 水固比制浆，启动搅拌桶，先在搅拌桶中加水至固定位置，然后分别在搅拌桶中加入高水材料甲、乙料。单浆的搅拌时间不小于2 min。为保证连续注浆，在一个搅拌桶中的料浆输送时，在另外一个搅拌桶中加水制浆。

（3）泵送充填。支撑完成后，启动注浆泵开始充填。每次注浆前先注清水对管路进行润滑，然后连接搅拌桶进行注浆。在两趟单浆管路进入井下后，离带充填老巷10 m 左右时，利用三通将管路连接到一起。

（4）管路清洗。在每次注浆结束后，需要对搅拌桶和注浆管路进行清洗。待搅拌桶中的水由浑浊逐渐变清时，视为清洗完成。

3.2 巷道两侧封堵

为减小浆液流失，需要对充填老巷两侧进行封堵。为此，在老顺槽两侧35 m 处施工钻孔，向巷道内注入化学浆液。由于化学浆液凝结速度快、并且膨胀倍数大，注入一定量后即可膨胀接顶，实现对巷道的密闭。

3.3 应用效果

在工作面回采之前对老巷进行充填，距离老切巷60 m 时充填结束，为验证充填效果，在距离老切巷30 m 范围内对支架工作阻力进行观测记录。结果表明，工作面在老巷前后支架工作阻力保持在8 500 kN 左右，变化较小，未发生明显的片帮、冒顶。结果表明，充填的高水材料接顶较密实，对顶板的支撑效果好，保证了工作面的安全生产。

4 结论

（1）工作面回采区域内的老巷容易积聚瓦斯、老空水等，并且巷道冒顶压缩，变形量大，存在严重的安全隐患。而传统的重开切眼、木垛等加固方式存在成本高、效率低、对生产影响大的问题。

（2）高水材料具有工艺简单、固体用量少、成本低的特点，适用于充填量较小的密闭工程，结合盛鑫煤业42201 工作面老空巷的具体情况，确定高水材料的水固比为4∶1。

（3）盛鑫煤矿采用地面灌注老巷充填的方式，环节较少、充填效果好，提高了煤炭资源的回收率，取得了较好的经济和社会效益，适用于埋深较浅的老巷充填，具有广阔的推广应用前景。