基于小采空區頂板充填控制技術在巷道破壞中的應用

張 偉

（汾西礦業宜興煤業，山西 孝義 032300）

20世紀以來，由于我國采礦技術進步不夠，許多煤礦采用房柱式礦柱開采，造成了相當大的資源浪費。近年來，隨著煤炭資源的枯竭和開采技術的提高，許多煤礦都采用了小坑采空區破壞煤層的多次開采方法。

為了解決回采工作面回采困難的問題，多位專家學者對小采空區回采的可行性進行了研究。Wang[1]和Jiang[2]通過瞬變電磁法探測采空區范圍，確定開采可行性。有學者建立了力學模型，打破不愿收到的頂部在空巷道和工作面影響因素調查先進的故障，如空車道的寬度、角度，煤柱的寬度[3]，王昕[4]等在工作面通過頂高程之前對頂下活動區進行注漿充填，可有效降低支護工作阻力，使工作面安全高效地穿過開闊空間。建立了工作面交叉時頂板的基本力學模型；但是，巷道開挖過程中對小采空區的破壞和頂板結構的穩定性降低。

本文分析了頂板類型與充填參數的關系。最后提出了相應的充填工藝，并進行了工業實驗驗證。這些方法有效地解決了巷道掘進過程中頂板的失穩和破壞問題，為礦山掘進過程中頂板控制提供了理論和技術參考。

1 地質情況

1.1 地面位置

1204運巷工作面地表東部300 m左右為南道村，南部630 m左右為龐莊村。西部840 m左右為劉家莊村（已搬遷），西南方向200 m左右為龐莊水塘。北部緊鄰寨上村（已搬遷），三泉溝由北至南斜跨工作面東部。

1204運輸巷構系統開口在一采回風巷內以坐標（X：4095974.106；Y：19558801.165）為巷中90°方位0°腰線施工5 m再以18°上山施工16 m后以0°腰線掘進9 m后停掘（此段左幫擴刷1 m，右幫擴刷0.7 m，掘高按3.2 m施工），停掘后施工溜煤眼，待溜煤眼施工完畢后繼續向前施工37 m，再以9°下山掘進40.6 m后沿2號下煤層頂板掘進施工61.4 m后再以坐標（X：4 095 974.106；Y：19 558 965.145）為巷中248°方位0°腰線掘進40 m平段再以12°下山施工22.4 m，再以0°腰線施工10 m與一采軌道巷貫通，形成系統。

1.2 井下位置及四鄰采掘情況

1204運輸巷井下東部190 m左右為井田邊界保安煤柱。西部為一采東三條大巷，北部和南部為2號下實體煤。上部為原1204工作面2號煤層采空區。

1204運巷位于兩個褶皺構造上。由3個褶曲組成（一個向斜、兩個背斜），煤層最大高差33 m左右。

根據原1203、原1204工作面2號煤層地質資料，該巷道掘進過程中存在2條正斷層；存在陷落柱2個，（見表1）。

表1 地質構造情況表

2 可再生頂板充填技術

2.1 充填材料選擇

充填小層狀采空區，要求充填材料具有良好的附著力，能黏結破碎圍壓，防止圍巖進一步破壞，有效支撐頂板和采空區。同時，充填物料還應具有成本低、易切削、易與煤分離的特點。高泡沫水泥材料具有早期強度高、凝結快的優點。它們已被應用于煤礦采空區的充填灌漿，但材料成本較高。因此，考慮成本和材料消耗等因素，采用高發泡水泥材料充填采空區。高泡沫水泥材料每體積固體材料較少，既可用于礦山充填，又可用于礦山防火。此外，泡沫材料具有初投資低、凝固快、早期強度大、耐提速高、易泵送、采空區密封性好等優點，（見表2）。

表2 填充材料的高度和強度

2.2 高泡沫水泥材料比

確定了合理的高發泡水泥原料配比直接決定了充填體的強度、流動性和穩定性。影響高泡沫水泥填充特性的主要因素是水灰質量比a、高泡沫添加劑和水體積比b、泡沫與水泥漿體體積比c。根據前人研究，取發泡量c為2，a為1.0∶0.5~1.0∶0.8，b為1∶25、1∶30、1∶35；計劃共設12組。每組方案準備3個樣本，共36個樣本。由于巷道掘進過程中充填，材料需要具有一定的早期強度，試件強度在7 d后進行測量。實驗結果，當v為1.0∶0.7，b為1∶30時，材料在7 d內強度最高，但當a為1.0∶0.6時，填充強度可以滿足。考慮到材料成本，最終的選擇是a的1.0∶0.6。這樣就填充了高泡沫材料。實驗結果表明，當a為1.0∶0.6，b為1∶30時，物料在7 d內強度最高，滿足充填料的需要。

2.3 高發泡水泥材料填充工藝

2.3.1 灌注系統

泡沫形成的重點是高泡沫添加劑和空氣。常用的發泡和滲注方法有高速混合器和壓縮空氣。試驗證明，井下風管輸送的空氣足以發泡，可以減少鋪設相關管道。由于充填面積有限，充填系統直接布置在需要充填的硐室和巷道附近。將隔膜泵與按1:30比例調節的起泡液注入混合器A中，由風管空氣驅動。所述氣泡壓力形成液體；水泥漿通過壓力泵與氣泡流體進入B型混合器充分混合，形成高壓氣泡水泥；混合器B通過管道輸出高壓氣泡水泥進入空區，灌注系統如圖1所示。

圖1 灌注系統

2.3.2 充填過程

注漿鉆孔布置在充填巷道頂部。考慮到鉆孔漿料的漿料擴散范圍，鉆孔排距為5 m，深度為1~2 m（穿過至采空區）。鉆孔布置圖如圖2所示。首先通過鉆孔觀察采空區鉆孔情況，確定頂板類型和充填高度。從1號孔開始，從左向右填充鉆孔，使用井下氣動系統進行注漿，并關閉鉆孔，防止漿液填充后溢出。待鉆孔凝固后，觀察鉆孔周圍的鉆孔情況。為了確保填料的性質，固體材料存儲在泵站不應該太多，但它應該滿足2~3 d填寫需求，同時確保干燥的固體材料，如水泥、可以使用填充板和添加塑料防水布。

圖2 鉆井布局方案（m）

3 實驗測試

在1204運輸巷的120~170車道20 m局部區域進行充填試驗。灌注系統是用來填寫相關的工藝步驟。充填后，采用ytj20型測巖記錄儀進行探孔，監測充填前后頂底板巖層情況，如圖3所示。

圖3 頂板的窺視圖

從圖3-1可以看出，孔壁為煤層頂板，煤層厚度約為1.3 m，頂部為采空區。空隙區高度在1.2~1.5 m之間。近區煤層相對破碎，整體性差。圖3-2為1204運輸巷充填結束后鉆孔透視圖。從圖3中可以看出，料漿中氣泡均勻，料漿脫水凝固凝固，與破碎巖體形成較好的黏結。從觀察孔的頂部，可以看到空區或落石的頂板，說明料漿基本與空區頂板連接，起著連接下煤層與空區頂板的作用。

4 結論

破壞區下部巷道頂板預充料是控制巷道頂板、保證巷道安全掘進、為后續工作面安全高效回采奠定基礎的關鍵技術。通過研究可以得出以下結論：

1）根據巷道特點，選擇高發泡水泥材料對頂板進行預充填。結合現場經驗和實驗研究，水灰質量比為1∶7，高發泡添加劑與水體積比為1∶30，發泡量為2∶1，高發泡材料強度最高。但水灰質量比為1.0∶0.6，強度也能滿足充填要求。因此，考慮到充填強度和充填成本，選擇水灰質量比為1.0:0.6的高氣泡材料進行充填。

2）根據充填材料，設計井下風管發泡系統及相關工藝進行充填，并在1204工作面輔助巷道進行充填試驗。經觀察發現，高發泡材料的氣泡均勻，整體填充效果良好。