軒崗煤業22113工作面過空巷注漿充填技術應用研究

王 偉

（大同煤礦集團軒崗煤電有限責任公司焦家寨礦，山西 大同034114）

1 工程概況

同煤集團軒崗煤電有限公司22113工作面處于1010開采水平，工作面位于221采區東翼，南為221采區22111采空區，北為實體煤層，西為221總回風巷軌道巷及皮帶巷，工作面切眼以東為原始煤層，工作面對應地面標高1160～1320m，井下標高830～961m，22113工作面相對地面位置在我礦井田范圍西北方向一帶，地面為山地地貌，無重要建筑物。地面為山地地貌，局部為梯田地貌，無重要建筑物。回采會造成部分區域塌陷、裂縫。22113工作面煤層厚度4～5.6m，均厚4.8m，煤層結構中等復雜型，含夾石1-3層，單層厚度一般在0.2m以下，傾角7～11°，平均9°，煤層頂底板巖層特征詳見表1。工作面在回進風及切眼掘進過程中共揭露2條斷層，為具體確定斷層的產狀，在距22113工作面切眼550m處施工了一條空巷，如圖1所示，為保證22113工作面順利的推過該空巷展開相關研究。

2 空巷原有支護

表1 煤層頂底頂板情況表

圖1 22113工作面巷道布置詳情

22113工作面內距切眼550m處存在一條空巷，空巷軸向與工作面長度方向平行，長度為120m，斷面尺寸寬×高=4.4×3.8m，空巷掘進時期采用錨網索進行支護，頂板采用錨桿和錨索支護，靠近中間的兩根錨桿（錨索）間距1334mm，兩側錨桿間或錨桿與錨索間間距1333mm，排距1000mm，錨索和錨桿同排布置，每排兩根錨桿和兩根錨索或者四根錨桿兩種布置方式交替，同排錨桿（錨索）采用四眼鋼帶固定，均垂直頂板施工，錨索長度為8.0m，錨桿長度為2.0m。兩幫采用錨桿進行支護，錨桿長度為2.0m，間排距1200×1000mm，均沿水平方向布置。空巷的詳細支護見圖2。

圖2 22113工作面空巷支護詳情

3 空巷充填體強度模擬研究

依據軒崗煤業22113工作面具體的地質條件，采用FLAC3D軟件建立三維數值模型[1-2]，模型的長×寬×高=220m×220m×85m，其中煤層厚度4.8m，底板總厚度21m，上覆巖層總厚度59.2m，工作面沿模型寬度方向布置，工作面長度180m，工作面向X軸負方向推進，共推進100m，空巷位于模型左側。模擬時首先進行22113工作面回采巷道及開切眼的開挖支護，然后進行空巷的開挖支護，并在空巷內充填不同強度的充填體，然后進行22113工作面的推進。工作面與空巷間的距離稱為煤柱寬度。整理得到圖3所示模擬結果。

由圖3所示結果可以看出，隨著空巷與工作面間煤柱寬度的減小，空巷圍巖塑性破壞范圍不斷增大，當煤柱寬度小于15m，塑性區貫穿整個煤柱，結合空巷表面位移量變化規律，當煤柱寬度小于10m時，空巷圍巖變形量劇增，因此說明，煤柱的安全寬度為10m，不進行充填的情況下，空巷將失穩破壞嚴重，采取充填措施時，工作面距空巷10m以上時，充填體應該已達到設計強度。

圖3 空巷未充填模擬結果

圖4 充填體變形量示意圖

為確定空巷充填體的合理強度，分別進行充填體強度為1～6MPa的模擬實驗，當工作面與空巷間煤柱寬度為5m時，統計充填體的變形量，整理得到圖4所示的結果，由圖可知，充填體位移量隨強度的變化呈非線性變化，充填體強度增大，其壓縮量和橫向變形量均逐漸減小，當充填體強度由2MPa增大至4MPa時，充填體的壓縮量和橫向變形量均顯著減小；充填體強度由4MPa增大至6MPa，充填體變形量減小趨勢明顯減緩，由此說明，從減小空巷的變形來說，當充填體強度達到4MPa即可，充填體強度繼續增大，對于減小空巷變形量益處不大，并且可能引起采煤機割煤困難，因此確定充填體最佳強度為4MPa。

4 22113工作面空巷充填技術

4.1 充填材料研究

空巷充填材料的選擇需要綜合考慮材料用量、充填效果、成本等因素，目前較為常見的材料包括化學、水泥漿液及高水材料[3]，化學材料容易帶有毒性，水泥漿液存在凝固時間較長、結石率低、析水量大等問題，高水材料具有凝固時間可控、流動性好、無析水、滲透性好、價格便宜等優點。根據22113工作面空巷條件，采用高水材料作為充填材料具有明顯的優勢，因此確定充填材料為高水材料。為確定合適的漿液水灰比，保證充填體強度達到4MPa以上，且不影響采煤機正常切割，在實驗室進行不同水灰比漿液的配制，并通過三軸壓縮實驗測得材料凝固2h、24h、7d后的強度，整理得到圖5所示結果。

由圖5所示結果可以看出，同樣水灰比條件下，漿液凝固時間越長，其強度越高；不同水灰比條件下，水灰比越大，漿液的濃度時間越長，凝固后結石體的強度越小。由注漿材料凝固強度角度進行水灰比選擇時，可考慮凝結時間24h的結石強度達到要求（＞4MPa），水灰比小于4時可滿足要求，水灰比越大，材料用量越少，經濟效果愈好，因此確定高水材料水灰比為4:1。

4.2 空巷充填方案設計

將材料運送至充填地點的方法主要有兩種，一是通過人力或者器械將漿液運送至需要充填的地點，二是通過管路將漿液輸送至充填區域，根據22113工作面的開采技術條件，設計采用管道運輸的方式進行空巷的充填。參考現有的充填工程實踐[4]，巷道充填工藝方法主要有四種，包括開放式充填法、全袋式充填法、混合式充填法及分段阻隔充填法，根據22113工作面空巷情況，決定采用分段阻隔充填法，主要原因為22113工作面空巷起伏不平，漿液需要注入的高度變化不定，分段建立止漿墻非常必要，不需使用充填袋，工藝簡單，成本較低，其具體原理如圖6（a）所示。為減小空巷對工作面支架載荷的影響，過空巷期間工作面調斜，調斜角度根據空巷的寬度和長度比確定，調斜角度最小值為arctan（4.4/120）=2.1°，最終確定調斜角度為3°，具體情況如圖6（b）所示。

圖6 工作面充填及調斜方案示意圖

4.3 應用效果分析

22113工作面空巷長度為120m，空巷影響范圍內為1#～80#液壓支架，工作面過空巷期間監測液壓支架的工作面阻力變化，過空巷期間，液壓支架工作阻力與正常情況下無明顯差異，波動范圍均未超出平時的最大和最小值，說明充填方案完全達到所需要求，工作面順利通過空巷。

現場監測過空巷期間工作面煤壁的片幫量，整理得到表2所示結果。過空巷期間，工作面最大片幫深度為0.37m，整個工作面片幫長度為5.4m，與正常情況下無明顯差異，表明空巷充填效果良好，充填體對空巷圍巖起到了良好的支撐作用。

表2 工作面片幫統計表

5 結語

軒崗煤業22113工作面回采期間需通過一條與工作面平行的空巷。依據詳細的地質條件，模擬研究表明，空巷不充填條件下，工作面距空巷15m時，煤柱已喪失其支承能力，距工作面10m，空巷表面位移量開始迅速增大，為保證工作面安全通過空巷必須采取適當的措施，充填材料強度達到4MPa，能夠顯著較小空巷的位移。選擇高水材料為注漿材料，通過實驗室實驗確定漿液的水灰比為4：1，設計具體的充填工藝和調斜方案，監測過空巷期間液壓支架工作阻力和煤壁片幫量，結果表明充填方案完全達到所需要求，實現了工作面順利通過空巷。