超高水材料充填掘進(jìn)空巷技術(shù)研究與應(yīng)用

徐文平

（馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037100）

煤層地質(zhì)條件千變?nèi)f化，特別是受火成巖侵入和斷層群影響的區(qū)域，煤層連續(xù)性受到嚴(yán)重破壞，掘進(jìn)現(xiàn)場無計(jì)劃揭露地質(zhì)構(gòu)造時有發(fā)生，形成了空巷和廢巷，嚴(yán)重制約礦井的安全生產(chǎn)銜接，需要及時充填。傳統(tǒng)的空巷充填材料以木料、鋼梁、煤矸、粉煤灰為主，充填費(fèi)用高，耗時長，用工多，勞動強(qiáng)度大，充填后的空巷仍然存在大量的縫隙，形成了有害氣體積蓄空間。為了確?？障锍涮畎踩?jīng)濟(jì)和快速可靠，提出采用超高水材料進(jìn)行充填[1-3]。該材料具有諸多適合充填優(yōu)點(diǎn)，如：早強(qiáng)快硬、初凝時間可調(diào)、混合漿液前期流動性好等，固結(jié)后體積應(yīng)變小，在三向受力狀態(tài)下不可壓縮性好。

1 工程概況

馬道頭C3#層二盤區(qū)2222 巷為8222 工作面的進(jìn)風(fēng)順槽，該巷沿煤層底板掘進(jìn)，為全煤巷道。巷道設(shè)計(jì)高度為3.7 m，寬度為5.4 m，設(shè)計(jì)長度為2382 m，煤層傾角1°～3°，平均2°。在實(shí)際施工過程中，2222 巷地質(zhì)條件十分復(fù)雜，火成巖侵入嚴(yán)重，斷層帶較多，煤層傾角變化較大，煤質(zhì)酥松，支護(hù)復(fù)雜。掘進(jìn)至424 m 處遇H=4.5 m、∠25°正斷層，掘進(jìn)隊(duì)以5°坡向下施工；掘進(jìn)至440 m 處遇H=5 m、∠23°正斷層，該處煤層被火成巖侵入，繼續(xù)以5°坡向下施工；又掘進(jìn)23 m 后遇到巖墻21 m，掘進(jìn)隊(duì)平掘度過后，探巷發(fā)現(xiàn)煤層在巷道上方。根據(jù)前方鉆孔及實(shí)測巷道標(biāo)高，推斷煤層賦存傾角為5.5°，正常施工需掘進(jìn)173 m 巖巷才能見煤層底板，決定退后123 m，在原有巷道進(jìn)行填充超高水材料再進(jìn)行挑頂，繼續(xù)向前掘進(jìn)。

2 超高水材料充填方案設(shè)計(jì)

2.1 超高水充填系統(tǒng)建立

（1）充填泵站

利用2222 巷里程420 m 處的調(diào)車硐室作為充填泵站硐室，該硐室規(guī)格為長10 m×寬4.5 m×高3.7 m，能夠滿足泵站布置要求。泵站選用型號為ZBYSB210/9-18.5 型液壓雙液注漿泵，設(shè)備參數(shù)見表1 和表2。

表1 注漿設(shè)備及參數(shù)表

表2 設(shè)備配套及參數(shù)表

（2）管路布設(shè)

為了把泵站制備的漿液輸送到2222 巷待充填區(qū)域，需要布設(shè)管路進(jìn)行漿液的輸送，管路規(guī)格按照表3 中要求的規(guī)格尺寸準(zhǔn)備。

表3 泵站管路規(guī)格參數(shù)表

（3）通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)建

充填區(qū)域正常通風(fēng)，超高水充填前，2222 巷已由里向外用煤矸充填至里程465 m 處，充填高度為原巷道的2/3。充填期間，充填區(qū)域正常通風(fēng)，待充填完畢時，直接切斷充填區(qū)域通風(fēng)，將風(fēng)筒撤至465 m 處，并用煤矸石將原巷道口完全充填。

2.2 充填工藝及作業(yè)流程

（1）充填工藝

采用的超高水材料主要由A、B 兩種物料組成。A、B 物料分別以質(zhì)量比1:6 比例在各自的漿液融合桶中與水融合，再以1:1 比例在雙液泵中配合使用，經(jīng)三通運(yùn)送至充填區(qū)域，如圖1。

圖1 超高水材料空巷充填系統(tǒng)圖

（2）充填作業(yè)流程

充填作業(yè)前向2222 巷迎頭鋪設(shè)兩條管路（兩條四寸管用于超高水材料充填作業(yè)，另一條為2 寸管，用于充填時排放巷道內(nèi)氣體）。充填作業(yè)分兩次進(jìn)行，首先將混合管掛在原巷道465 m 頂板上，對煤矸石充填區(qū)域進(jìn)行充填。第一次充填完畢后，對原巷道545 m 處未能充填區(qū)域進(jìn)行第二次充填，如圖2。具體操作為：啟動泵，試運(yùn)轉(zhuǎn)1 min 后，若無異常，可將2 根單漿管接至三通，另外一個通路連接混合管，注漿；ZBYSB 系列液壓注漿泵具有恒功率特性，即注漿壓力低時，自動保持較大注漿流量，注漿壓力高時自動減少注漿流量，注漿終壓時，可做到保持高壓，注漿流量極小，注漿中途如需改變注漿壓力，調(diào)溢流閥即可；注漿結(jié)束時，應(yīng)立即將吸排漿管放置在清水中，吸排清水不少于10 min，保證管路中無殘留漿液。

圖2 超高水材料充填流程示意圖（m）

（3）注意事項(xiàng)

吸漿管龍頭應(yīng)全部置于漿液面以下，不能吸入空氣，也不能將吸漿龍頭去除直接用吸漿管吸漿；要保證漿液攪拌均勻，無大顆粒及異物進(jìn)入吸漿管；吸漿管與吸漿接頭之間一定要用管箍或鐵絲卡緊，不能漏氣；注雙液漿時，應(yīng)固定使用同一攪拌桶。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比及效益評價

結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)提出三種充填空巷的方案：（1）原巷道充填超高水材料；（2）用U 型鋼棚和木垛加強(qiáng)空巷支護(hù)方案進(jìn)行充填；（3）分層挑頂，最后來進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與效益評價。

3.1 充填超高水材料方案

2222 巷凈高3.7 m，凈寬5.4 m，凈斷面為19.98 m2。綜合考慮巷道成型、片幫、裂縫等影響，將凈斷面定為20 m2，充填范圍為467～545 m，共計(jì)78 m，所以注漿量=20 m2×78 m=1560 m3。本次施工過程共使用超高水材料260 t，項(xiàng)目單項(xiàng)費(fèi)用見表4。本次超高水材料充填后，注漿設(shè)備、攪拌桶等均采用原礦井已有設(shè)備，按照5 年年均折舊法計(jì)提折舊，本次充填方案設(shè)備攤銷成本為（18+2.909）÷5=4.181 8 萬元。如前所述，本次超高水材料充填總費(fèi)用為：設(shè)備攤銷成本+超高水材料費(fèi)+技術(shù)服務(wù)費(fèi)=4.181 8+39.338+10=53.519 8 萬元，預(yù)計(jì)施工工期10 d。

表4 充填超高水材料項(xiàng)目成本費(fèi)用統(tǒng)計(jì)表

3.2 U 型鋼棚和木垛加強(qiáng)空巷支護(hù)充填方案

用U 型鋼棚和木垛加強(qiáng)空巷支護(hù)方案進(jìn)行充填的方案施工距離同樣為78 m，地點(diǎn)與超高水材料充填地點(diǎn)一致，方式采用U29 鋼棚+方木。在架設(shè)U29 鋼棚時，每架鋼棚由三根直腿、一節(jié)棚梁組成，棚梁凈寬3.3 m，每根棚腿由兩段2500 mm 長棚腿組成，搭接長度不小于450 mm，棚腿間距為1350 mm，棚間距1000 mm。支設(shè)木垛所用方木為200 mm×200 mm×2000 mm，呈井字型支設(shè)兩排，且每排木垛交叉搭接。項(xiàng)目單項(xiàng)費(fèi)用見表5。U29 鋼棚成本+木垛成本80.321 2萬元，預(yù)計(jì)施工工期20 d。

表5 做假頂項(xiàng)目成本費(fèi)用統(tǒng)計(jì)表

3.3 分層挑頂方案

分層挑頂進(jìn)行充填的方案施工距離為156 m，第一次挑頂78 m后，退后至挑頂位置再次挑頂78 m。挑頂段為全巖巷道，延米單價為1.2 萬元/m，預(yù)計(jì)施工總工期42 d。

3.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與效益評價

（1）充填超高水材料與架U 型鋼棚和木垛加強(qiáng)空巷支護(hù)對比，雖然架U 型鋼棚和木垛加強(qiáng)空巷支護(hù)的技術(shù)和工藝均已熟練，但成本很高，充填超高水材料能夠相對節(jié)省成本26.801 4 萬元。

（2）分層挑頂方案施工時間長，工人勞動強(qiáng)度大，施工工期為42 d，人工成本高，總成本遠(yuǎn)高于充填超高水材料方案，而且分層挑頂施工方案施工難度大，工程質(zhì)量難以保證，影響后期工作面安全回采。

（3）對于2222 巷充填方案的選擇無論從經(jīng)濟(jì)效益上，還是從充填效果、底板維護(hù)、回采安全等方面考慮，均應(yīng)選擇超高水材料充填方案。該方案與架鋼棚和支木垛方案和層次挑頂方案相比，工人勞動強(qiáng)度小，工期短，超高水材料充填時可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整和控制充填體的強(qiáng)度，滿足巷道正常掘進(jìn)和后期采煤工作面回采要求。

4 結(jié)論

（1）超高水材料充填技術(shù)由于充填材料含水量高，使用材料少，相比于其他充填方案具有明顯的成本優(yōu)勢，憑借超高水材料漿液的良好流動性即可完成空巷的充填，不需要對密閉空巷有害氣體進(jìn)行控制，從而節(jié)省其他施工方案的人力和物力，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（2）超高水材料固結(jié)體自身具有較好的承載能力，能夠通過把圍巖裂隙、破碎矸石及碎煤膠結(jié)起來，提高整體性能和承載性能，使得空巷與頂?shù)装搴蛢蓭兔軐?shí)為一個整體，消除了空巷塌陷的威脅，能夠有效解決工作面空巷對底板的不利影響，很好地覆蓋了浮煤及圍巖裂縫，具有較好的防滅火作用，同時避免了空巷漏風(fēng)，有利于2222 巷后期的正常掘進(jìn)和采煤工作面后期回采時安全施工。

（3）超高水材料充填技術(shù)具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，值得在同類型礦井空巷充填過程中推廣應(yīng)用。