晶鑫礦綜放工作面走向空巷充填技術研究與應用

張鵬鵬

（山西陽城陽泰集團晶鑫煤業股份有限公司，山西 晉城 048100）

0 引言

由于歷史的原因，山西省內曾存在大小不一的數千家小煤窯。這些小煤窯開采技術落后，同時為了節約成本，大部分采用的都是以掘代采的方式，在賦存條件好、煤質好的煤層中掘進巷道，采用木垛支護，巷道掘進后直接廢棄，成為空巷。井下遺留的空巷不僅破壞了煤層的完整性，而且由于年久失修，巷道內狀況復雜，頂板下沉冒頂、巷道底鼓、兩幫移近等，還有可能存在老空水和瓦斯積聚等[1-4]。近年來，隨著山西省煤炭整合力度的加大，優質煤炭資源逐漸減少，因此許多企業開始對原先小窯巷采的煤炭資源進行回收，而老巷存在對綜采工作面的正?；夭稍斐闪藝乐氐耐{。

1 工作面概況

1.1 地質生產條件

山西晶鑫煤業3217工作面位于西采區，所采煤層為3號煤，煤層賦存穩定，結構簡單，頂底板巖性如圖1所示。

圖1 3217工作面煤層頂底板巖性

3217工作面走向長壁綜合機械化放頂煤開采，傾斜長度130 m，走向長度732 m，采高2 m，放煤高度2.8 m。工作面基本支架型號為ZF2800/16/24，安裝101架，支架中心距1.25 m，初撐力為2 532 kN，工作阻力2 800 kN。

1.2 存在的問題

工作面掘進過程中揭露一空巷，位置見圖2。

圖2 3217工作面空巷位置示意圖

通過調研相關的資料及進入老巷中實地探查，空巷為矩形斷面，規格為4.5 m×5.0 m（寬×高），沿煤層底板掘進，支護方式為木垛支護。

2 空巷充填技術

2.1 空巷破壞形式

3217工作面內空巷成巷時間較長，受臨近工作面礦山壓力的影響，空巷周邊形成了較高的應力集中，并且斷面相對較大，頂板無錨桿索木垛支護條件下巷道寬度達到5m，頂板下沉嚴重，部分地段出現了大面積的冒頂，巷道兩幫煤壁破碎，移近量大，同時底臌嚴重，見圖3，巷道斷面收縮率達到60%以上。

圖3 巷道斷面示意圖

2.2 3217空巷治理的難點

1）工作面老巷近乎垂直于工作面傾斜方向，與推進方向一致，影響距離比較大。

2）空巷采用木垛支護的方式，由于水和空氣的侵蝕等，大部分支護已經失去作用，巷道嚴重失修。

3）工作面采用的是輕型放頂煤開采，對充填率的要求較高，如果充填率低，支架極易出現空頂，造成安全隱患。

2.3 工作面空巷處理方法

目前國內外對于綜采工作面過空巷的方法主要有以下幾種[5-6]：

1）搬家倒面。該方法適用于平行于工作面或夾角較小的空巷，在距離空巷一段距離時工作面停止回采，在工作面前方重新掘進開切眼，搬家倒面重新推采。

2）密集頂板支護。在老巷內利用單體柱或木垛支撐頂板，在工作面推采至附近時，提前將其回收。該方案工序較多，相對復雜。

3）錨桿索聯合支護。針對空巷頂板垮落的問題，在老巷中對工作面頂板和兩幫進行支護，一般采用錨桿+錨索并鋪設金屬網的方式，確?；夭蛇^程中不空頂、不冒頂。

4）充填支柱。該技術起源于美國，在老巷中充填一個圓柱形立柱支撐頂板。支柱一般分為2層，上部為讓壓層，合理讓壓，底部為承載層，提供支護強度。

2.4 空巷充填方式的確定

3217工作面的空巷平行于推進方向，搬家倒面的方法不可行，另錨桿索密集支護、充填支柱等均需要進入空巷中作業，存在一定的安全隱患。為此，采用超高水材料全充的方式。超高水材料充填工藝簡單，所需設備較少，2個攪拌桶，1個充填泵即可。并且固體用量少，大面積充填時輔助運輸工作量小，是一種理想的空巷充填方法。

3 超高水材料的特性及充填作用機理

3.1 超高水材料的強度特性

超高水材料是一種類水泥，由A、B,2種組分組成，現場使用時，分別加水制成漿液按1∶1的配比使用。超高水材料的強度可按需調節，固體材料用量越大，強度則越高，相應的成本也會提高。不同水灰比的強度及凝結時間曲線如圖4所示。

圖4 不同固化時間強度曲線

由圖4可以看出，不同含水率材料的強度差距較大，結合晶鑫礦3217工作面的實際情況，確定空巷充填的水灰比為3∶1。

3.2 超高水材料空巷充填的作用機理

1）超高水材料將空巷充填，充填體與煤壁形成整體結構，共同阻止頂板的下沉。當工作面推進時，充填體為頂煤的一部分，與煤體同時被切割。

2）空巷充填過程中，超高水材料漿液會滲入到煤壁和頂板的縫隙中，間接提高了煤柱的承載能力，同時，加固空幫和破碎的煤巖體。

4 現場應用

4.1 設備及充填站布置

超高水材料空巷充填所需的設備為注漿泵和攪拌桶，為保證連續制漿，一般每種料配2個攪拌桶，一共4個，雙液注漿泵1個。

在運輸巷內實體煤幫擴一段巷道作為充填站，擴幫長度為10 m，深度為2 m，擴幫處底板用水泥進行硬化，用來堆放超高水材料，防止受潮。充填站內的設備布置如圖5所示。

圖5 充填站設備布置

4.2 充填工藝

與超高水材料留巷和采空區充填相比，空巷充填無須掛包，工藝比較簡單。充填班提前備好所需要的充填材料，檢查設備。待充填地點發出可以制漿的信號后，向攪拌桶內加水制漿。在充填地點直接將混漿管放入空巷中即可。A、B料的2個攪拌桶交替制漿輸送，確保連續充填。

4.3 充填關鍵技術

1）空巷充填必須保證接頂，為此在實際充填中可采取分段分區多次充填的方式，提高充填率。

2）原空巷中用于支護頂板的木垛需在充填之前進行回收，避免在割煤過程中發生安全事故。

3）充填過程中必須安排專人負責觀察漿液情況，如果出現跑漿、不出漿或者漿液不凝固時，必須立即停止注漿，排除問題后再注。

4）每次注漿完成后必須對管路進行清洗，在攪拌桶中加水不加料，將清水打入注漿管中，當混漿管中的水不渾濁時，清洗完畢。

4.4 應用效果

1）空巷中充填的超高水材料凝固后比較穩定，沒有出現掉皮現象，對頂板的支撐效果好。

2）3217工作面推過空巷的過程中，采煤機直接切割超高水材料充填體，與割煤效果一致。

3）空巷區域不放煤相鄰支架放煤時，有部分充填體放出，但不影響煤質。同時支架過空巷過程中，未發生片幫冒頂以及頂板壓架等事故，工作阻力未出現明顯波動。

4）空巷充填改善了3217綜放工作面的作業環境，避免了在空巷內頂板支護，也避免了工作面的空頂作業，大大降低了工人的勞動強度，提高了工作效率和安全系數。

5 結 論

1）超高水材料充填工藝簡單、固體用量少、輔助運輸量小，是空巷充填的理想方式。

2）超高水材料一般28 d達到終凝強度，因此為保證充填效果，需在回采前1個月進行充填。

3）晶鑫礦3217工作面空巷充填的實踐表明，采用超高水材料充填空巷，可以加固破碎圍巖，避免支架上方的空頂和冒落，保證了工作面的順利回采。