趙莊煤業廢棄立井快速回填技術研究

宋曉雷

（晉城煤業集團趙莊煤業，山西 晉城 048000）

2008 年煤礦資源整合前，小煤窯遺留大量廢棄井筒和巷道。資源整合后，煤礦布置正規工作面，掘進和回采過程中需要揭露這些井筒和巷道，給生產帶來不同程度威脅[1-3]。趙莊煤業五盤區5305 工作面在布置回采巷道時，巷道穿過了原小煤窯廢棄井筒，交叉點周邊破碎嚴重，可能發生冒頂事故，并且離切眼較近，工作面急于回采，施工工期比較緊張。以此為工程背景，展開廢棄立井快速回填技術研究。

1 工程背景

趙莊煤業五盤區開采3#煤層，平均厚度5 m，走向和傾向上近水平。5305 工作面設計開采長度1500 m，傾向長度220 m，采用綜合機械化放頂煤采煤法。

工作面布置一條運輸順槽和一條回風順槽，設計寬度3.1 m，高度3.4 m。回風順槽采用架棚與錨索聯合支護，正常區域棚間距1 m，特殊地質區域棚間距0.7 m。錨索型號Ф17.8 mm，SKP18×1/1860-7300，矩形布置，每排布置兩根，間距1.5 m，排距1.4 m，預緊力不小于150 kN。巷道支護示意如圖1 所示。

圖1 特殊區域架棚錨索聯合支護示意圖

5305 回風順槽在距離切眼50 m 處，正上方揭露原小煤窯廢棄井筒。井筒直徑2.5 m，深度122 m。下方馬頭門與巷道交叉點頂板十分破碎、淋水，錨桿、索銹蝕嚴重。采用密集工字鋼加單體柱支撐方式支護，上方空洞打木垛填充。廢棄井筒與巷道位置關系如圖2 所示。

圖2 廢棄井筒與巷道位置關系

2 井筒危害分析及處理方式

2.1 井筒危害

（2）動壓影響冒頂風險。將來工作面要通過該區域，強烈采動影響會造成井筒附近頂板結構破壞加劇，存在嚴重的落石、冒頂風險。

2.2 處理方式

廢棄立井筒的充填一般為部分充填和全部充填兩種選擇。

部分充填方式，僅對井筒底部起30 m 高度進行充填，即可滿足巷道頂板安全使用要求。該方式材料消耗少，工期短，但上部未充部分后期可能有積水等不利影響。

全部充填方式，材料消耗量較大，但安全性最好。分為兩步：（1）底部采用高強度注漿材料填充，形成抗沖擊底座；（2）上部采用低強度充填材料充填，或者是碎矸石配合低強度充填材料充填，實現全部充填。

綜合考慮，決定選擇全部充填方式。但廢棄井筒位置離切眼僅50 m，工作面急于回采，施工工期20 d，必須采取快速施工技術，以滿足使用要求。

3 廢棄井筒快速充填方案

3.1 交叉點頂板注漿加固

井筒與巷道交叉點附近頂板十分破碎，為避免井筒充填時發生嚴重的漏漿，甚至壓垮頂板，必須首先對交叉點兩側各5 m 頂板破碎區進行注漿封閉加固。加固區域為圖2中井筒兩側“5 m頂板破碎區”。注漿采用力行注漿材料。

鉆孔布置：頂板毛寬度3.1 m，但井筒附近巷道寬度約4 m，按照4 m 寬度進行設計。鉆孔設計排距3 m，每排3 個鉆孔，間距1.5 m。兩側鉆孔距離幫部0.5 m，與垂直方向夾角5°，中間鉆孔垂直于頂板，孔深均為10 m，孔徑均為75 mm。鉆孔布置如圖3 所示。

圖3 頂板鉆孔布置示意圖

3.2 井筒分段充填方案

井筒總深度122 m，計劃采取三段充填。底部抗沖擊底座高度15 m，中部“矸石+充填材料”膠結高度102 m，頂部混凝土封頂高度5 m。

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（1）底部抗沖擊底座

井筒底部為倒錐形，且下部為空洞，容易漏漿。采用速凝快硬的注漿材料及時形成底座，具備不小于20 MPa 強度。

底座設計高度15 m，為安全考慮，采用分段注漿充填方式。第一段充填高度為2 m，第二段充填高度5 m，第三段充填高度8 m。如圖4 所示。

采用力行注漿材料，水灰比0.7:1。每段充填間隔不小于4 h，以保障注漿材料強度增長到20 MPa以上。

（2）中部“矸石+充填材料”膠結

為節約成本，中部主體采用矸石，矸石之間縫隙采用充填材料膠結。

從地面井口位置向下布置注漿管，為避免矸石砸壞、砸扁注漿管，影響將來注漿，采用Ф50 mm無縫鋼管，2 m/根，絲扣連接，一直下到底座上端。布置2 組鋼管，每組總長度102 m，鋼管要求每隔0.5 m 開一組對穿孔，孔徑10 mm，便于后退充填時漿液有足夠通道進入碎矸空隙里。

圖4 底部抗沖擊底座分段充填示意圖

將矸石從井口用鏟車倒入井筒內，矸石破碎成Ф200 mm 以下最佳，一方面可以減小對底座沖擊，另一方面與漿液有更好的結合效果。矸石填滿后，在地面制漿進行碎矸縫隙充填。“矸石+充填材料”膠結示意圖如圖5 所示。

圖5 “矸石+充填材料”膠結示意圖

（3）頂部混凝土封頂

為防止充填體風化和井口雨水滲入，井口最后階段采用混凝土封頂，封頂高度5 m。混凝土要求為強度等級C30，骨料顆粒小于20 mm，坍落度100～150 mm 的流動性混凝土。

充填高度5 m，體積約25 m3。

3.3 注漿、充填材料

共采用了2 種速凝材料。交叉區附近破碎頂板注漿和抗沖擊底座采用力行注漿材料，中部“矸石+充填材料”采用力行充填材料。

力行注漿材料為無機材料，分為A 型和B 型，粉末狀，水灰比0.7:1。兩種材料混合前2 h 不稠化、不沉淀，混合后1～3 min 失去流動性，8～15 min 終凝，4 h 即可具備20 MPa 以上強度，7 d 最終強度27 MPa。

力行充填材料為無機材料，分為A 型和B 型，粉末狀，使用水灰比3:1。兩種材料混合前6 h 不稠化、不沉淀，混合后保持20～40 min 良好流動性，可以在矸石裂隙中充分擴散，4 h 強度約1.2 MPa，7 d 最終強度5 MPa。

4 效果考察

4.1 實施過程

井筒總體積為598.5 m3，共消耗力行注漿材料85 t，消耗力行充填材料141 t，矸石690 t，C30 混凝土25 m3。

所采用的注漿、充填材料均具備速凝早強特性，可以實現連續施工，施工時間7 d，封頂混凝土養護時間7 d，共14 d 工期，工作面開始回采。

4.2 交叉點巷道表面位移觀測

在交叉點附近巷道內，布置3 組“十”字表面位移測點，并在正常區域布置3 個測點作為對比。觀測期限為充填完畢至工作面推過前。觀測結果表明，交叉點附近兩幫移近量約130 mm，頂板下沉量約180 mm，正常區域兩幫移近量約120 mm，頂板下沉量約120 mm。交叉點變形略大，但頂板完好，工作面順利通過，未發生冒頂現象。

4.3 充填體整體下沉觀測

在井口做觀測標記，觀測充填體整體下沉量。觀測期限為充填完畢至工作面推過前。觀測結果表明，充填體未發生明顯下沉。工作面推過后，受巖層垮落影響，充填體與井筒有整體下沉跡象，但兩者未發生錯層現象。

5 結論

（1）回采巷道揭露廢棄立井，存在頂板淋水、動壓影響冒頂風險，采用底部抗沖擊底座、中部“矸石+充填材料”膠結、頂部混凝土封頂實施方案。

（2）采用力行注漿材料、力行充填材料兩種速凝早強材料，解決了工期緊迫、連續施工問題，實施工期14 d。

（3）效果考察表明，在充填完畢至工作面推過前，頂板總下沉量180 mm，頂板完整，未發生冒頂現象，工作面順利推過，充填體與井筒未發生錯層下沉現象。