下分層工作面過超高平行空巷充填技術研究

焦圓圓

（晉城煤業集團，山西 晉城 048000）

晉煤集團海天煤業為資源整合礦井，遺留大量空巷廢巷，嚴重影響正規工作面布置。空巷主要危害是頂板、瓦斯、水，威脅安全生產，且空巷類型繁多，治理方式各有不同[1-3]。本文針對3618（下）工作面過超高平行空巷問題進行研究分析，以期為類似條件下空巷治理提供經驗。

1 工程背景

晉煤集團海天煤業3618（下）工作面位于六盤區，開采3#煤層，平均厚度5 m，采用分層開采方式，上、下分層設計開采厚度均為2.5 m，工作面走向長660 m，傾向長150 m，工作面在走向上和傾向上近水平。由于上分層前期大部分已采，目前布置3618（下）工作面回采下分層。工作面采用U 型通風方式，布置3618 進風巷和3618 回風巷兩條順槽。在回采進度360 m 位置，3618 進風巷一側有一條遺留空巷，空巷與切眼平行，長度50 m，高度5 m，寬度4.2 m。工作面與空巷位置關系如圖1。

整條空巷采用了錨桿支護，但支護強度不高，目前未受采動影響，空巷尚未有明顯變形。工作面目前回采進度320 m，距離空巷僅有40 m，日推進4 m，預計10 d 揭露空巷。由于空巷高度大，揭露時，預計出現2.5 m 高空頂。工作面揭露空巷空頂示意圖如圖2。

圖1 工作面與空巷位置關系示意圖

圖2 工作面揭露空巷空頂示意圖

2 空巷危害及治理關鍵

2.1 空巷危害

經過探測，空巷內無瓦斯，也無積水，主要面臨頂板控制問題。由于采高較小，礦壓顯現不明顯，工作面距離空巷10 m 以外時，基本不會對空巷產生影響，進入10 m 以內，超前支承壓力作用下空巷開始發生明顯變形，剩余5 m 以內煤柱時，空巷幫部和頂部必然發生劇烈變形，存在三個問題。

（1）隨著煤柱逐漸變薄，承載能力下降，破碎失穩，向工作面和空巷內倒塌，造成工作面片幫嚴重。

（2）煤柱支撐能力不足，引起工作面及空巷內頂板下沉量大、破碎，尤其是回采割透煤柱時，前方4.2 m 為空頂區，護幫板支護不到，極容易誘發大面積頂板垮塌事故，冒落矸石壓架。

（3）即使空巷內頂板未發生冒落，空巷超高，支架最大支撐高度2.8 m，進入空巷后難以支撐到頂板，無法提供支護阻力，冒頂隱患更加突出。

2.2 治理關鍵

治理關鍵在于限制空巷煤柱和頂板變形，常用的方法為錨桿索補強、木垛支護、高強水泥柱支護、全部充填法等方式，其中，前3 種都屬于加強支護。根據前期大量的工程實踐發現，對于與切眼垂直的巷道，由于回采揭露時空巷面積小，能夠起到較好的作用，但對于與切眼平行空巷，工作面同時揭露數十米寬度空巷，難以起到有效作用。同時，加強支護方式，空巷內仍有大量的變形空間，超前變形仍十分嚴重。

因此，本次計劃對該平行空巷采取全部充填方式，完全限制空巷內煤柱和頂板變形，維護煤柱和頂板完整性，回采過程中支架能夠充分接頂，保證順利開采，同時需要注意：

（1）由于空巷高度5 m，回采高度2.5 m，將來工作面過空巷時，支架頂部2.5 m 高度為充填材料。充填材料能否與頂板和兩幫形成一個整體，需要采取措施防止其自身發生冒落。

（2）工作面約10 d 揭露空巷，充填體積達到1050 m3，要充分考慮施工工期和材料凝固期，避免影響正常回采。

3 全部充填方案

3.1 充填材料

全部充填方式充填體能夠均勻受力，對充填體強度要求不高，2 MPa 完全能夠滿足要求。本次采用高水充填材料，分為A 型和B 型，使用水灰比4:1，分別加水攪拌后，單液輸送距離能夠達到200 m，混合后約15 min 完全失去流動性，1 h 完全固化。材料具備速凝早強特性，1 d 強度達到1.2 MPa，3 d強度達到2 MPa。由于水灰比大，單立方空間材料消耗量僅為0.25 t。

3.2 高速充填系統

充填系統主要由兩臺定容水箱以及兩臺高速制漿泵組成。定容水箱的作用是自動蓄水至設計水位，快速放水，節約加水時間，提高水灰比精度；高速制漿機采用高速離心、循環攪拌方式，極大地提高了制漿速度和漿液的均勻性，并通過高速旋轉離心力輸送漿液，最大揚程60 m。兩者配合實現了快速制漿，是普通的“攪拌桶+注漿泵”方式制漿效率的3 倍以上，單班充填量最大可達30 t，充填方量120 m3。設備外觀如圖3。

圖3 設備外觀

將設備和材料布置在3618 進風巷與空巷交叉口往外50 m 的硐室內。

3.3 超高段特殊處理

對于空巷頂部2.5 m 高度，為了防止回采揭露過程中與頂板發生脫離冒落，需要在空巷頂部預埋鋼棚。在遠離切眼一幫施工2 m 深鉆孔，鉆孔單排布置，距頂板2 m，鉆孔間距2 m，孔徑75 mm，每孔采用3 根Ф50 mm 無縫鋼管，2 m/根，總長6 m，一端插入鉆孔孔底，剩余4 m 暴露在空巷頂部，然后對鉆孔進行注漿錨固。超高段鋼棚結構示意圖如圖4。

3.4 分段后退充填方式

（1）管路布置

管路采用Ф65 mm 消防水帶，A、B 兩趟單液管路沿頂板鋪設，在充填點通過三通混合成一趟管路，混合管長度20 m。由于空巷長度達到50 m，計劃分為兩段充填，在空巷內施工兩道閉墻，第一道布置在空巷中部25 m 位置，鋪設一趟管路至距離空巷口40 m 位置，第二道布置在空巷巷口，鋪設一趟管路至距離空巷口15 m 位置，如圖5。

圖4 超高段鋼棚結構示意圖

圖5 分段后退式充填示意圖

充填時，先充里段，充滿后再充外段。

3.5 充滿檢驗

每段充滿后，都要密閉墻頂部施工仰角鉆孔，根據打鉆情況判斷頂部是否有未充滿的區域，如果有，可以進一步進行鉆孔窺視，然后利用檢查孔繼續注漿使充填體接頂。

4 效果考察

4.1 施工效率

現場設備布置1 d，每日三班充填約90 t，充填方量360 m3，3 d 即完成全部充填工作，最后0.5 d做檢測，充填體硬化3 d 達到設計強度，總計7.5 d完成全部工作，滿足了工作面回采需求。

4.2 過空巷效果

工作面臨近空巷一直到掘透煤柱，未發生片幫冒頂現象，充填體致密、均勻。采煤機截割過程中，割到的區域隨采隨落，未割到區域保持平直完好。頂部充填體受到支架頂梁擠壓，有一定壓縮，未出現破碎掉渣現象，工作面順利通過超高空巷區域，通過后頂板安全垮落。

5 結論

（1）超高平行空巷對工作面回采影響極大，超前支承壓力下會出現超前片幫、冒頂問題，支架難以接頂，控制關鍵在于限制空巷內煤柱和頂板變形。

（2）采用高水充填材料，4:1 水灰比，3 d 強度2 MPa，配合高速制漿系統，滿足了工期緊的要求，對超高區域進行了預埋鋼管強化處理防止冒落。

（3）效果考察表明， 7.5 d 即完成了整個充填工程實施和材料硬化，滿足了工期要求。回采期間幫部和頂板良好，未出現片幫冒頂現象，工作面順利通過。