綜采工作面過空巷注漿充填加固技術應用研究

徐 欣

（山西汾西正善煤業有限公司，山西 孝義 032311）

礦井開采設計變更或者超前布置探巷等均會導致空巷。隨著采面與空巷間距的縮小，空巷受到采動動壓影響更為顯著，若不對空巷圍巖進行加固，輕則導致空巷圍巖支護體系失效、采面與空巷間煤柱變形加急，重則導致采面生產停滯、礦壓顯現異常[1-3]。因此，采取合適的空巷加固技術方案對確保采面過空巷安全具有十分重要的意義[4-5]。文中以21105綜采工作面過空巷為工程實例，提出采用高水充填材料對空巷進行加固，現場應用后確保了采面過空巷安全。研究成果可為其他礦井空巷加固提供參考借鑒。

1 工程概況

山西某礦21105綜采工作面開采11號煤層，采面南側為已回采完畢的21103采空區、北側及東側為實體煤、南側為采區集中運輸、通風巷道。11號煤層埋深平均360 m，厚度4.8 m，煤層結構中等-復雜，內部夾雜1-3層泥巖加矸（矸石厚度在0.2 m），傾角平均9°，頂底板巖性以泥巖、細粒砂巖為主，具體巖性參數見表1。采面回采巷道、切眼掘進過程中揭露2條斷層，在采面切眼前方550 m為主有開采變更引起的空巷，具體位置見圖1所示。

圖1 采面空巷位置示意圖

表1 頂底板巖性

空巷與采面切眼平行，長度為120 m，斷面為矩形（寬×高=4.4 m×3.8 m）。空巷圍巖采用錨索網進行支護，錨桿、錨索規格分別為Φ20 mm×2 000 mm、Φ17.8 mm×6 200 mm，錨桿、錨索間排距分別為1 330 mm×1 000 mm、1 200 mm×1 000 mm。為了確保采面過空巷安全，提出采用注漿充填加固方式對空巷圍巖進行控制。

2 空巷充填加固技術

2.1 空巷充填加固材料

選擇充填加固材料時應綜合考慮充填加固成本、充填材料使用量以及充填效果等[6]。現階段煤礦井下常用的充填材料類型包括有水泥漿液、化學漿液以及高水充填材料等。其中水泥漿液存在析水率高、結石率底以及凝結時間過長等問題；化學漿液在注漿時容易釋放有毒有害氣體，同時注漿加固成本相對較高；高水充填材料具備凝結時間可控、滲透性好、無析水以及注漿充填加固成本低廉等優點。根據21105綜采工作面空巷圍巖巖性、支護參數以及巷道位置條件，提出采用高水充填材對空巷進行注漿充填加固。依據空巷埋深、采面開采情況以及采動動壓影響等，確定空巷充填后充填體強度應在4 MPa以上。因此，應以4 MPa為參數對高水充填材料配比參數進行確定。

在實驗室對不同配備的高水充填材料在2 h、24 h以及7 d后強度進行測試，具體測試結果見圖2所示。

圖2 不同水灰比下高水充填材料強度變化曲線

從圖2看出，在水灰比保持不變的情況下，高水充填材料隨著凝結時間的增加，強度呈現顯著增加趨勢；在相同條件下隨著水灰比增加，高水充填材料凝結時間越長，凝結后形成的充填體強度更低。從凝結后充填材料強度方面分析，可選擇24 h充填體強度達到4 MPa以上的水灰比。從圖中看出，水灰比在4以下時，凝結后的充填材料強度可滿足要求，但是水灰比越大、充填材料使用量越少，注漿充填加固費用越低。為此，將高水充填材料水灰比確定為4∶1。

2.2 空巷注漿充填加固方案

將高水充填材料運送至充填位置的方法包括有機械器具運送或者人力運輸，運輸管線等兩種方式。根據21105綜采工作面位置以及采面開采條件，文中提出采用管線方式將高水充填材料運送至空巷位置進行充填。參考已有的空巷充填技術實踐，空巷充填工藝包括有開放式充填、混合式充填、全袋式充填以及分段阻隔充填等技術方式。根據21105綜采工作面空巷實際情況，由于采面內空巷底板有較大起伏，為此決定采取分段阻隔充填法對空巷進行充填加固。采用阻隔充填法時，充填不需要考慮空巷底板起伏，充填過程簡單，充填加固成本相對較低。具體采用的阻隔充填法見圖3所示。

圖3 阻隔充填法示意圖

為了減少空巷對采面礦壓顯現影響，在采面過空巷期間適當進行調斜。具體調斜角度依據空巷長度、寬度以及采面斜長等參數確定，采用理論計算方法得到采面最小調斜角應為2.1°（調斜角應大于arctan（4.4/120）=2.1°）。為了便于采面生產，最終將采面調斜角度設計為3°，具體調斜后采面與空巷位置示意圖見圖4所示。

圖4 調斜后采面與空巷位置示意圖

3 空巷注漿充填加固效果分析

21105綜采工作面內空巷分布長度為120 m，影響采面液壓支架編號為1~80架。空巷充填加固效果會直接影響采面過空巷期間液壓支架工作阻力變化情況、采面煤壁片幫情況。在采面過空巷期間對液壓支架工作阻力進行監測，監測發現1~80號液壓支架工作阻力變化趨勢與80號支架以外的支架基本一致，液壓支架工作阻力變化波動范圍均未在以往范圍內。表明空巷充填加固方案可滿足現場采面空巷圍巖控制需要，可為采面煤炭回采創造良好條件。

對采面過空巷期間煤壁片幫情況進行監測，從監測結果看出，采面在過空巷期間煤壁片幫最大深度為0.37 m，一般情況下片幫均在0.12 m以內；整個采面片幫長度最大為3.5 m，一般情況下片幫長度均在1.2 m以內。煤壁片幫程度較小，不會給采面正常回采帶來顯著影響。現場應用表明，采取高水充填材料對空巷進行加固后，充填體可有效控制空巷圍巖變形，現場取得較好的應用效果。

4 結語

21105綜采工作面前方550 m位置存在有一條與切眼平行、長度為120 m的空巷，若不采取措施加固空巷則在采面采動影響下空巷原有的圍巖支護體系會有失穩風險，從而給采面正常回采帶來較大的威脅。為此，提出采用高水充填材料對空巷進行加固，并依據采面實際情況對充填加固技術方案進行設計。現場應用后，充填體可有效控制空巷圍巖變形，采面過空巷期間液壓支架工作阻力未有明顯變化、煤壁片幫發生率未有明顯增加。表明在采面采取的空巷注漿充填加固技術方案可滿足采面過空巷需要。