沿頂空巷堆煤分層充填技術(shù)

郭世輝

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 長治 048000）

礦井由于采掘銜接變化、工作面重新規(guī)劃等原因，原來已掘進(jìn)的部分巷道被劃入工作面回采范圍，需要跨巷回采。工作面過空巷時(shí)有瓦斯積聚、片幫、冒頂?shù)蕊L(fēng)險(xiǎn)?？障镄螒B(tài)多樣，危害程度不一，需要采取針對(duì)性的措施進(jìn)行治理，才能保障安全回采，并且要盡可能考慮治理方式對(duì)煤質(zhì)、回采的影響。本文以趙莊煤業(yè)二號(hào)井2307 綜放工作面過沿頂空巷為工程背景，設(shè)計(jì)充填方案并進(jìn)行效果考察[1-3]，為類似條件下空巷治理提供一定的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程背景

2307 工作面開采煤層為3#煤層，平均煤厚為4.3 m，工作面走向長1160 m，傾向長175.7 m，采用全部垮落、后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法。工作面機(jī)采高度為2.8 m，放頂煤厚度為1.5 m，循環(huán)進(jìn)度為0.6 m。

2307 工作面回采過程中會(huì)揭露兩條平行空巷，分別為探巷1 和探巷2。探巷1 和探巷2 長度均為60 m，寬度均為4.5 m，高度均為3.3 m，探巷內(nèi)近水平。探巷與工作面位置情況如圖1。

圖1 空巷與工作面位置示意圖

兩條探巷均沿頂板掘進(jìn)。放頂煤工作面支架沿底移架，揭露空巷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)層位錯(cuò)差，如圖2?？障锷喜?.5 m 為支架支撐范圍，下部1.8 m 為采煤機(jī)截割范圍。支架揭露空巷時(shí)，由于支架與空巷間煤柱逐漸變小、空巷與支架層位落差，將會(huì)出現(xiàn)數(shù)十個(gè)支架前方煤壁破碎片幫、支架不接頂、無法移架、大面積空頂問題，極容易發(fā)生大面積片幫冒頂事故。

圖2 空巷與回采范圍層位錯(cuò)差示意圖

2 工程特性及基礎(chǔ)治理方式

2.1 工程特性分析

（1）空巷體積。空巷體積大致測算1782 m3，屬于中小型充填工程，且井下暫無其他空巷充填工程，無后續(xù)需求，因此，針對(duì)空巷采用的處理方式為井下移動(dòng)式充填站處理。

（2）空巷危害?？障锱c工作面平行，將來工作面會(huì)一次性揭露，且空巷與支架支護(hù)高度范圍存在錯(cuò)差，支架無法接頂，極容易出現(xiàn)大范圍冒頂，因此，危害性極大，必須采用全部充填方法治理。非全充方式或者加強(qiáng)支護(hù)方式，空巷內(nèi)仍有大量變形空間，空巷仍舊會(huì)發(fā)生劇烈變形，無法保證支架安全通過。

（3）空巷完整程度?？障飪?nèi)支護(hù)強(qiáng)度較高，維護(hù)情況良好，并不存在冒落情況，具備人員安全進(jìn)入、施工操作條件。

（4）空巷分層特性。上部1.5 m 為支架支撐范圍，充填體需要一定的強(qiáng)度，且充填體要盡量連續(xù)、完整，使支架能充分承載，避免出現(xiàn)破碎、掉落；下部為采煤機(jī)截割范圍，只需充滿，無需過高強(qiáng)度，避免材料浪費(fèi)和給截割帶來困難。

根據(jù)工程特性，決定采取井下泵站制漿、全部充填的方式進(jìn)行。

2.2 充填材料選擇

常用的充填材料包括：粉煤灰基充填材料、高水充填材料。兩種材料優(yōu)缺點(diǎn)分析如下：

（1）粉煤灰基充填材料，優(yōu)點(diǎn)在于取材容易，成本低廉，缺點(diǎn)在于凝固性能差，泌水較多，容易漏漿，水灰比可調(diào)范圍小，材料消耗量大（充填每方空間約需要1 t 干料），運(yùn)輸工程量大，強(qiáng)度增長緩慢。綜合來說，粉煤灰基充填材料除了成本低之外，弊端較多。

（2）高水充填材料，優(yōu)點(diǎn)在于凝固速度快，凝固速度可調(diào)，適應(yīng)水灰比范圍大，結(jié)實(shí)率高，強(qiáng)度增長迅速，材料消耗量?。ㄍ葟?qiáng)度要求下，消耗量約是粉煤灰材料的1/4），材料運(yùn)輸工作量小，缺點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)較高。

本次礦方給出50 d 左右的施工工期，考慮井下運(yùn)輸能力制約，決定采用高水充填材料進(jìn)行充填，加快施工速度。

2.3 基礎(chǔ)充填方式

以往的全部充填方案，是對(duì)整個(gè)空巷全部采用充填材料填充，根據(jù)工程概況中對(duì)支撐區(qū)域和截割區(qū)域的描述，認(rèn)為如果全部采用充填材料充填，截割區(qū)域?qū)肀仨毥馗畛涮铙w，高水材料充填體截割過程中會(huì)出現(xiàn)以下問題：

（1）糊采煤機(jī)截齒，污染作業(yè)空間。高水充填體含水量大，受到采煤機(jī)機(jī)械擾動(dòng)水會(huì)被擠出，和充填體形成泥糊狀，泥糊狀態(tài)下的充填體不但糊采煤機(jī)截齒，而且會(huì)粘接在刮板、轉(zhuǎn)載機(jī)上，造成現(xiàn)場作業(yè)空間污染，清理困難。

（2）充填體影響煤質(zhì)。充填體為無機(jī)材料，密度與煤體基本相當(dāng)，在采煤機(jī)截割后，與煤體一起運(yùn)出，無法洗選，如果充填體量過大，會(huì)影響煤質(zhì)。

針對(duì)此問題，本次采取“下部堆煤膠結(jié)+上部高水充填”的基礎(chǔ)方案，其目的在于：

（1）下部堆煤膠結(jié)。下部70%以上的空間被煤塊堆滿，再注漿膠結(jié)，形成整體。采煤機(jī)截割時(shí)，大部分為煤體，對(duì)煤質(zhì)影響較小，也節(jié)約了充填材料用量。

（2）上部高水充填。上部為承載區(qū)域，必須使充填體均質(zhì)、強(qiáng)度較高才能保證支架安全承托，上部采用高水充填材料充填，形成完整、連續(xù)、均質(zhì)的人造假頂，保證安全回采。

3 堆煤膠結(jié)分層充填方案

3.1 下部堆煤膠結(jié)

（1）預(yù)埋注漿管

堆煤之前，先布置兩趟注漿管，兩趟管路分別沿左幫和右?guī)筒贾?，固定在巷幫上，固定高度距離底板1.2 m，管路采用Ф50 mmPVC 管，2 m/根，從探巷與23071 巷交叉口開始鋪設(shè)，一直鋪設(shè)到探巷與23071 措施巷交叉口位置，覆蓋探巷全長。在PVC 管上開對(duì)穿射漿孔。

（2）堆煤方式

將2307 工作面采出的煤炭，在23071 巷與探巷交叉口卸下，布置一臺(tái)刮板輸送機(jī)，將煤塊送至探巷內(nèi)，將煤塊堆積，采用倒退式堆積，即先將煤塊送至探巷與23071 措施巷交叉口位置，然后逐步堆積、后退，直到探巷與23071 巷交叉口位置，要注意留下實(shí)施密閉擋墻的空間。煤塊堆積高度不得超過截割高度，即不超過1.8 m。

（3）注漿膠結(jié)材料

漿液需要在管路內(nèi)流動(dòng)60～90 m，因此，漿液必須具備足夠好的流動(dòng)性。本次選用的注漿膠結(jié)材料為調(diào)配的高水充填材料，水灰比1.5:1，分為甲料和乙料，分別加水?dāng)嚢瑁瑔螡{流動(dòng)性較好，輸送距離可達(dá)1000 m 以上，混合后能夠保持15 min 左右流動(dòng)性，能夠保證漿液輸送和在煤塊中擴(kuò)散。1.5:1水灰比條件下，漿體2 h 強(qiáng)度約2.5 MPa，1 d 強(qiáng)度約為4 MPa，3 d 強(qiáng)度約為7.8 MPa，7 d 最終強(qiáng)度約為8.1 MPa。實(shí)測漿液混合煤塊強(qiáng)度約為純漿體的55%左右。

（4）兩端封閉堵漏

在探巷兩端各施工一道密閉墻，用于封堵，防止?jié){液泄漏。閉墻厚度1.5 m 左右，建設(shè)高度與空巷高度一致，上端各留200 mm 暫時(shí)不封閉，用作觀察漿液充填情況。

（5）注漿過程

甲料和乙料按照1.5:1 水灰比分別配置后，單漿分別輸送至探巷口，混合后連接PVC 管，進(jìn)行注漿。注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)為，觀察漿液將煤塊全部覆蓋即可。

3.2 上部高水充填

（1）管路布置

充填管路采用Ф50 mm 的鋼絲內(nèi)襯軟管。從探巷與23071 交叉口位置往里鋪管，管路吊掛在頂板上。由于空巷較長，采用兩趟管路，一趟鋪至距離探巷與23071 措施巷交叉口往回15 m 位置，另一趟鋪至距離探巷與23071 巷交叉口往里15 m 位置，如圖3。

圖3 充填管路鋪設(shè)示意圖

（2）充填材料

選用高水充填材料，水灰比3:1，單漿流動(dòng)性較好，輸送距離可達(dá)2500 m 以上，混合后能夠保持25 min 左右流動(dòng)性，能夠保證漿液輸送和在空巷內(nèi)充分流動(dòng)擴(kuò)散。3:1 水灰比條件下，漿體2 h 強(qiáng)度約為0.6 MPa，1 d 強(qiáng)度約為2.5 MPa，3 d 強(qiáng)度約為3.2 MPa，7 d 最終強(qiáng)度約4 MPa。

（3）充填過程

利用兩端構(gòu)筑的密閉墻作為擋墻，對(duì)探巷進(jìn)行灌注充填。對(duì)長、短兩趟管路，可以采用交替充填的方式，防止?jié){液堆積過高。充填過程中，可以利用閉墻上部留的200 mm 空隙觀察充填情況。當(dāng)漿液快充填到閉墻上沿時(shí)，將閉墻上部空隙封堵嚴(yán)實(shí)，人員撤出，直至充滿為止。

（4）充填設(shè)備

充填設(shè)備主要由兩臺(tái)定容水箱以及兩臺(tái)高速制漿泵組成。具體參數(shù)如下：

① 定容水箱2 臺(tái)。容積：300～500 L，可調(diào)節(jié)。

② 高速制漿機(jī)2 臺(tái)。攪拌容積：300～400 L；使用電壓：660 V/1140 V；防爆電機(jī)：YBKE3-132S-4；電機(jī)功率：5.5 kW。

定量水箱提前蓄水、快速供水，高速制漿機(jī)快速攪拌制漿，兩種料漿成漿通過高速制漿機(jī)離心泵泵送并在充填作業(yè)點(diǎn)前混合后注入充填空間。

高速制漿系統(tǒng)每小時(shí)充填能力約12 m3，按照每天兩班充填，每班純充填時(shí)間6 h，則每天充填體積約144 m3。

充填系統(tǒng)連接如圖4。

圖4 充填系統(tǒng)連接示意圖

充填順序：先實(shí)施探巷1，后實(shí)施探巷2。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

兩條空巷總體積為1782 m3，堆煤空間約為972 m3，消耗1.5:1 注漿膠結(jié)材料136 t，消耗3:1高水充填材料243 t。

總工期約37 d，其中堆煤17 d，注漿膠結(jié)10 d，上部高水充填10 d。

4.2 效果考察

工作面揭露充填體時(shí)，發(fā)現(xiàn)漿液與煤塊膠結(jié)良好，隨采隨落，回采過程中未發(fā)生片幫。支架過空巷期間，頂板充填體完整、連續(xù)，未出現(xiàn)破碎、掉落情況。工作面安全順利通過兩條空巷，平均用時(shí)1.5 d。

5 結(jié)論

（1）工作面過平行空巷且存在層位錯(cuò)差，危害嚴(yán)重，制定了“下部堆煤膠結(jié)+上部高水充填”治理方案，在保證安全過空巷的基礎(chǔ)上，考慮了對(duì)煤質(zhì)影響的問題。

（2）下部注漿膠結(jié)采用1.5:1 高水充填材料，2 h 強(qiáng)度約2.5 MPa，1 d 強(qiáng)度約4 MPa，3 d 強(qiáng)度約7.8 MPa，7 d 最終強(qiáng)度約8.1 MPa；上部充填采用3:1高水充填材料，漿體2 h 強(qiáng)度約0.6 MPa，1 d 強(qiáng)度約2.5 MPa，3 d 強(qiáng)度約3.2 MPa，7 d 最終強(qiáng)度約為4 MPa。

（3）總工期37 d，工作面過空巷時(shí)，漿液與煤塊膠結(jié)良好，頂板充填體完整、連續(xù)，回采過程中未出現(xiàn)片幫、漏頂現(xiàn)象，工作面順利安全通過。