回采巷道頂部袋式充填技術應用研究

牛澤斌

（山西晉煤集團趙莊煤業，山西 長治 046605）

1 工程概況

晉城煤業集團趙莊煤業5313 工作面，主采煤層為3#煤層，煤層平均厚度為3.6 m，為穩定可采煤層。工作面內可能存在隱伏性陷落柱、小斷層，節理、裂隙發育，煤層產狀急劇變化，煤層變薄等地質異常現象。正因為如此，5313 工作面回采過程中下端頭剩余大量的三角煤，整個工作面的煤炭資源損失量約達15 萬t。

為了增加煤炭資源的回收率，減緩工作面采掘接替緊張的實際問題[1-2]，該礦井在工作面下順槽實施超前開挖巷道底板回收底煤，減小采煤機回采過程中需要變坡的角度，從而降低端頭三角煤損失量。因此，礦方考慮在頂部采用高水材料充填工藝[3-5]，即在充填體下方打上單體柱作為支撐，從而順利使工作面在端頭處落底，進而充分回收煤炭資源。本文對巷道頂部袋式充填工藝進行了研究，并在現場成功應用。

2 回采巷道頂部充填工藝及優化

2.1 袋式充填材料性能

由于順槽巷道頂板充填體積約5400 m3，材料消耗大，充填部分對材料強度要求高，需要全面考慮成本、施工可行性、強度等因素，材料的性能要求如下。

（1）盡量提高水灰比減小材料用量，并且能夠在保證充填體較好的受力特性的同時，最大程度的降低材料使用成本。

（2）充填體強度應大于1.4 MPa。巷道位置在煤層頂板，工作面向前推進過程中需要用單體支柱托住充填體，如果強度過低，容易造成單體支柱壓碎充填體，影響護頂效果。

（3）混合漿有一定流動時間。現場實施分段充填，混合輸漿管路長度不小于60 m，確保漿液混合均勻，因此混合漿需要有20 min 左右流動性。

（4）混合漿凝固快，強度增長快。混合漿在20 min 后快速初凝，凝固之后強度應當快速增長，7 d 內達到設計強度。

因此，根據充填材料的性能需求，決定采用雙液高水充填材料，材料的性能見表1。

表1 不同水灰比材料性能參數

根據上述材料的性能需求，選擇充填材料水灰比為3.5:1 最為適宜。

2.2 頂部袋式充填系統

充填系統如圖1。將兩個定量水箱懸掛于巷道頂板或兩幫，保證定量水箱排水口高于攪拌桶。通過改進高速渦流制漿充填系統，實現了定量加水、攪拌和泵送一體化功能，減少了設備數量，簡化了操作步驟。

圖1 充填系統示意圖

兩臺高速制漿機分兩側布置，出漿口朝向待充巷道。從高速制漿機排漿口接輸漿管路（Φ65 消防水管），長度8 m，接入混合三通，從三通出口連接混合管路至充填點與橡膠管連通，混合管長度不少于30 m。

2.3 施工工藝優化分析

回采巷道頂板袋式充填技術在5313 工作面下順槽巷道實施，如圖2，距巷道底板3.5 m 處搭設充填體支撐平臺，支撐平臺由單體支柱、木板、鋼絲網、π 型梁、圓木、鋼管等組成。

原計劃施工設計中，未考慮充填體平臺搭建后工人施工問題和充填漿液膨脹后膜袋的穩固問題，因此前三次施工均失敗。在總結三次施工經驗后，在第四次施工時對充填工藝做了以下改進：（1）增大充填袋寬度和高度，將鋼絲網連接處鐵絲露頭朝向巷道幫面，并且在錨桿露頭處纏繞充填材料包裝袋；（2）在直徑DN65 鋼管嵌套入直徑DN100的風水管，增加檔桿剛度。分三次充填，每次充填高度0.8～1.2 m，待前次充填漿液初凝后再進行下一次充填，起到減小漿液對充填袋側面壓力的作用。

圖2 充填體支撐平臺示意圖

最終頂部袋式充填成功實施，從施工平臺搭建，到膜袋合理的尺寸改進，最后到充填體的穩固措施等多方面優化了頂部袋式充填的施工工藝。現場施工實物圖如圖3。

圖3 頂部袋式充填施工實物

3 回采巷道頂部袋式充填應用效果

3.1 單體支柱受力特征分析

施工結束后，為了檢驗充填體強度的合理性以及充填效果，在5313 運輸巷中充填體下方的單體柱上安裝應力計如圖4，觀測單體柱的應力，進而為后續工作展開提供指導。

通過對單體柱工作阻力觀測可知，單體柱最小工作阻力12.3 MPa，最大工作阻力25.7 MPa，超前支承壓力峰值處于工作面前方7～9 m 處，影響范圍45 m。測點距工作面20～45 m 時，單體柱工作阻力緩慢增加，但增量不大。結合現場實際情況，應力峰值處充填體完整性好，并未出現大變形的情況，充填體強度足夠。

圖4 單體柱壓力觀測布置示意圖

不同充填體下單體柱壓力相差較大，可能原因有：（1）單體柱初始工作壓力不同，當工作面來壓時，單體柱壓力隨之增加，造成單體柱壓力差別大；（2）落底后巷道內底板遺留煤體分布不均造成巷道底板軟硬程度不同，當巷道頂板巖體應力增加時，單體柱出現不同程度的插底現象，單體柱壓力同樣會出現較大不同；（3）巷道不同位置，頂板壓力不同，充填體凝固程度不同，壓縮量不同，頂板巖體應力傳遞到單體柱的力有較大差別。

3.2 巷道圍巖變形特征分析

為觀察5313 工作面回采巷道充填段圍巖變形情況，在工作面軌道巷內布置測站。為保證數據的可靠性，從工作面軌道巷中超前工作面40 m，每間隔10 m 布置1 組巷道表面位移觀測點，共布置了3組測點進行觀測，在兩幫中間位置用紅漆在錨桿托盤上標記點A、B。

按照監測方案對工作面軌道巷內的表面位移監測斷面進行了布置后，結合工作面推進情況，定期下井對巷道表面位移變化進行觀測和記錄，并對其進行匯總和整理，得出巷道頂底板移近量及兩幫移近量與監測斷面距工作面距離之間的關系，繪制出的巷道兩幫移近量曲線如圖5。

由圖5 分析可得出：

（1）超前工作面30 m 以外，巷道兩幫移近量幾乎不受采動影響，22～30 m 處巷道兩幫變形速度緩慢增加，0～22 m 巷道變形速度處于快速增長階段。

（2）距離工作面越近，巷道圍巖受采動影響越大，巷道兩幫移近量越明顯，巷道變形速度越快，故超前工作面0～30 m 為采動影響區，應加強支護。

（3）從上圖可以發現巷道兩幫整體變形量較小，最大變形量196 mm，對工作面正常回采沒有影響，主要原因除了與巷道圍巖在充填支護前經歷過較大變形有關，還說明充填體控制巷道圍巖變形效果明顯。

圖5 巷道兩幫移近特征

工作面推進到第一個充填袋時，充填體并沒有發生斷裂，產生隨采隨落的現象。工作面推進到第一個充填體長度的3/4 時，充填體向采空區方向有一定傾斜，工作面完全過充填體后，第一個充填體傾斜垮落，由于下方存在木垛支撐物，充填體不能完全著地，搭接在巷幫上。第二個充填體垮落情況與第一個相同。到第三個充填體時，充填高度較大，單位長度上充填體自重應力較大，并且充填體強度較低，充填體能隨著工作面隨采隨落，且能夠完全觸底，垮落效果符合預期情況。總體來說，經過優化后的施工工藝能夠完全滿足工程需求。

4 結論

（1）分析了袋式充填材料的性能需求，選擇雙液充填材料水灰比為3.5:1；通過改良制漿系統提高了充填系統的充填效率，并通過現場試驗優化了施工工藝。

（2）巷道頂部袋式充填在5313 工作面應用后，通過觀測單體柱的應力變化及充填體形態發現，位于應力最大處單體柱上充填體完整性良好。同時收集回采過程中巷道兩幫變形量，巷道兩幫最大移近量為196 mm，巷道沒有明顯破壞現象，工作面順利回采。