高水材料充填技術在過超高空巷的應用

張 超

（山西寧武榆樹坡煤業有限公司，山西 寧武 036700）

工作面過空巷是當前一次采全高綜采工作面回采的主要問題之一，特別是對地質條件復雜，內部構造不清需打探巷探明相關狀況的工作面，這個問題很普遍。榆樹坡公司1201工作面內空巷平行切巷布置，部分地段巷道超高，頂板破碎，工作面過空巷過程中，隨著工作面的推進，在超前支撐壓力作用下基本頂易在空巷上方提前斷裂，引起空巷及工作面頂板急劇下沉，礦山壓力顯現劇烈。理論與實踐表明，采用HS-2型高水充填材料充填空巷是回采過空巷的一種安全、經濟、高效的方法。

1 工程概況

榆樹坡公司1201綜采工作面位于2號煤一采區。工作面標高為1018～1112m，地面標高為1360～1430m，埋藏深度為290～390m，煤層平均厚度4.7m。煤層基本頂為18.92m厚的粗中細砂巖，基本底為8.69m的砂質泥巖。1201工作面采用一次采全高綜合機械化走向長壁采煤法，后退式開采，平均采高4.7m。

（1）空巷情況。1201工作面內槽波探測出兩條斷層，CF7和CF8，為進一步確定斷層位置、斷距及走向，在切巷向外560m處施工了一條探巷（寬×高=4.4m×3.8m）。該巷道由進風順槽側開口，垂直于進風順槽，向采幫側延伸124m，與輔助進風巷貫通，空巷采用錨網支護。因沿頂板掘進，并準確探出兩條斷層，探巷斷層處部分巷道高度達6.8m。探巷平面位置見圖1，實測剖面見圖2。

圖1 1201工作面采掘工程平面圖

圖2 1201探巷實測剖面圖

（2）預計充填情況。現1201工作面已回采至385m處，距離探巷175m。為了減少過空巷時間，提高工作面回收率及安全生產水平，計劃采用HS2型空巷充填材料對該探巷進行局部充填，要保證輔助進風巷正常通風，計劃充填長度104m。根據井下實測，待充填空巷體積1845m3。具體充填參數見表1。

表1 1201探巷充填參數

2 空巷充填材料

2.1 空巷充填材料

空巷充填材料是一種能在高水灰比條件下快速凝結的特種水泥，水化反應生成大量的鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）。空巷充填材料能夠在高水灰比條件下快速凝結硬化，不析水，固結體塑性好，7d達到終凝強度的90%左右，反應溫度低，是空巷充填材料最顯著的特點。如圖3所示為空巷充填材料固結體三向受限時各齡期強度隨時間變化圖。

圖3 空巷充填材料固結體三向受限時各齡期強度

2.2 高水材料預充空巷開采圍巖控制原理

采用高水材料將空巷充滿后，可使其基本恢復原巖狀態，原本有空巷的工作面相當于變成了由充填材料替換了煤體的正常工作面，這樣不需再對空巷進行維護，而且空巷與工作面之間的煤柱不會再像原來那樣破碎，仍有較強的承載能力。工作面過空巷時，采煤機可像正常采煤一樣直接切割充填體。流動性和滲透性很強的高水材料漿液可滲透到空巷圍巖縱橫交錯的裂隙中并固結，從而在圍巖中形成網絡骨架結果，將破碎圍巖黏結成整體，阻止圍巖進一步片幫或冒落。

3 充填方案

3.1 充填方法

根據充填工程經驗總結，有四種適用于充填巷道的充填方法：（1）開放式充填法：巷道傾角較大情況下，漿液靠重力自流，空巷待充區域處于開放的充填方式；（2）全袋式充填法：巷道近水平或水平情況下，在巷道內全巷道布置充填袋，袋內充入充填材料，不受涌水影響，勞動組織復雜，作業環節安全要求高；（3）混合式充填法：巷道傾角變化較大而導致起伏較大的復雜條件的巷道，采用充填袋與開放式充填相結合的方法；（4）分段阻隔充填法：根據現場條件，將待充區域分段，并為每個區域砌筑隔離墻，逐段充填。

經過分析，1201工作面探巷充填時間較緊，要求工藝應盡量簡單，人員需求少，易于組織與管理。因此，不適合采用全袋式充填和混合式充填方法。考慮到探巷平均坡度為8°，最終確定采用分段阻隔注漿充填方法，如圖4所示。

圖4 分段阻隔式充填巷道示意圖

3.2 充填材料力學參數的確定

根據實驗室試驗及數值計算結果，參考以往的工程實踐，綜合考慮井下施工條件、工作面超前支承應力的作用效果、漿液固結強度及材料消耗等因素，確定空巷充填材料的水灰比為4:1（初凝時間≤30min，充填體終強1.46MPa，7d強度為終強的90%）。

根據現場實測，CD段巷道頂板有一處淋水，出水量0.5～0.8m3/h，為防止頂板淋水降低充填體強度，充填前需排凈此處積水，并在淋水處下方安裝引流管，將巷道淋水排出。另外，此處4m長巷道底板因積水造成淤泥沉積，沉積厚度約400mm。因該段探巷底板低于進風順槽底板，回采時充填體將成為假底。按工作面液壓支架達到8000kN工作阻力，并考慮支架33t自重，求得支架底壓比：D=（8000kN+33×10kN）/底座面積=8330/2.2×0.7×2=2.71MPa。

為防止工作面回采到此處時支架下陷，充填前將積水排凈后，在淤泥沉積段垂直于探巷布置 150×150×1500mm 道木， 每排2根，排距200mm。同時將最初1500mm厚度內的材料水灰比調整為1.7∶1（終強6.7MPa），以提高充填體的強度。

AB段部分巷道高度達到6.8m，充填施工時采高（4.0m）以上部分將材料水灰比調整為1.7:1，并于充填前在巷道正中施工懸吊錨桿索，錨索規格為Φ17.8×5300mm，排距2000mm，錨索最外端距巷道底板4000mm。錨索之間采用工字鋼梁連接，確保回采時假頂不冒落。

4 充填工藝與系統

4.1 泵站及設備布置

充填泵站選擇布置在輔助進風順槽內，有充足的操作和存料空間，可利用防爆鏟車進行充填料的搬運。如圖5注漿設備配置示意圖。

圖5 注漿設備配置示意圖

4.2 砌筑止漿墻

先充填CD段，后充填AC段。為防止漿液流動，保證充填空間充填密實，每個充填段兩端需打設止漿墻。止漿墻可由木立柱釘上木板并內側襯一層風筒布構成，同時兩端伸入煤幫穩定處，頂部和兩側伸入煤幫200mm可滿足要求。最后一道止漿墻采用加氣磚砌筑，并用水泥混凝土密封嚴實。

止漿墻高度可隨充填進度進行調整，可隨時觀察施工進度。因漿液初凝速度快，實際對止漿墻側向壓力只有上部還未凝固的部分高度漿液，重點是止漿墻的密封性，要保證超高處充填接頂。

4.3 充填區域內管路安放

為保證空巷充填密實，止漿墻施工完畢后，將混合輸漿管（管路不回收，使用PVC管）和排氣管綁定在巷道中間最高處的頂板上，如圖6所示。

圖6 充填管路布置示意圖

5 填充施工現場記錄及效果分析

5.1 充填施工記錄

4月8日～4月24日，實際施工16d。充填空巷長度95m，充填體積1700m3，消耗充填材料500t。

充填施工時，因部分地段水灰比調整，工人勞動強度加大，效率降低，預計14d施工結束，實際施工16d。

5.2 充填效果

5月16日，工作面進風側割透空巷，輔助進風巷側距空巷還剩7m。此時，空巷未充填30m段內，頂底板移近量接近1m，幫部破碎，出現滾幫。充填段巷道圍巖和礦壓顯現無明顯變化，采動影響較小，填充體強度整體滿足支護強度需要，和巷道圍巖緊密結合成一個整體，經支架頂梁和底板加壓后，未出現假頂破碎或支架下陷的現象。5月18日安全通過空巷，過充填體期間，礦壓顯現正常，回采速度無影響。

但填充體遇水軟化，易生成“稀泥”，在工作面推進過填充體期間，由于原空巷頂板出水和機組噴霧，充填體經機組截割和煤溜裝運期間，遇水軟化成“稀泥”，導致出現皮帶打滑，單個采煤面生產極易造成煤倉潰倉事故。

填充體正常水灰比4:1，強度1.46MPa，滿足機組正常截割要求；超高假頂段和淤泥假底段填充體水灰比1.7:1，強度6.7MPa，可保證支架頂底板比壓要求。

6 總結分析

6.1 空巷充填優點

HS2型充填材料漿液流動和滲透性好，不析水，且充填體強度可根據施工要求調整，分段分強度充填，即保證承壓強度，又保證機組截割不受影響。充填系統和充填工藝簡單、可靠，填充強度調整簡便，影響因素少，便于整體工程質量把控，施工速度快、效率較高，滿足快速充填要求。

原聯合支護方法（加強錨索+木垛）過空巷，頂板出現離層變形深度難以準確把控，錨索長度選擇的科學合理性不強，而木垛支護整體強度不足，若在采空影響下空巷出現大范圍離層，加強錨索+木垛支護對頂板管理能力有限。而空巷填充支護，充填體和周邊圍巖緊密結合，形成一個整體，填充體強度根據施工需要合理調整，可以較好地緩解采空礦壓影響，提前控制巷道圍巖變形，減緩巷道頂板下沉和底鼓，杜絕片幫冒頂，保證了過空巷安全施工。

6.2 空巷充填缺點

（1）機械化、智能化較低，人工倒料、裝料，零工需求量大；

（2）填充體遇水易軟化成“稀泥”，運輸環節易造成皮帶打滑、煤倉潰倉等事故；

（3）因第一段充填后形成盲巷，需安設局部通風機。