8418 綜采工作面過空巷充填工藝研究

張 宇

（晉能控股煤業集團云崗礦，山西 大同 037001）

1 概況

云崗礦開采的煤層主要有3#、11#和14#三個煤層，3#煤層厚度約為6.8 m，8418 工作面為3#煤層開采作業區。煤層基本頂為深灰色石灰巖，厚度為11.6～14.5 m；直接頂為黑色泥巖，厚度1.5 m 左右；直接底為黑色泥巖，厚度為4.6 m 左右；基本底為灰褐色細砂巖，厚度4.8 m 左右。8418 工作面長度為225 m，最大傾斜角度為6°，采用機械化大采高一次采全高工藝。8418 工作面需要穿過部分皮帶巷和軌道巷，過空巷會對工作面產生影響，進行空巷充填降低空巷不穩定性具有實際意義。

2 空巷充填工藝

綜采工作面過巷充填工藝指的是在回采工作面過空巷過程中，將滿足流動性且凝固后能起到巷道支撐作用的充填材料采用一定的工藝方法充填到空巷中進行膠結[1]，維持巷道基本頂穩定，且膠結后的充填體要具有傳遞支架支護阻力的效果，進而通過支架支護進一步保持充填體兩幫和頂底面的完整?？障锍涮罟に噷嵤┑年P鍵是充填材料的選擇、充填系統的設計以及工藝實施方案的確定[2]。

（1）充填材料選擇

高水材料能夠作為充填材料的主要特性為[3]：在高水灰比下高水材料的凝結速度快，且凝結后硬度高，具有良好的充填支護效果。根據空巷地質特點，選用水灰比2.4:1，高水材料凝結后會生成大量鈣礬石，其結晶水容積高達81.16%[4]，這是高水材料優于一般充填材料的特性。對水灰比為2.4:1的高水材料凝結性能進行試驗研究，凝結24 h 后進行抗壓能力檢測，發現具有不低于3.5 MPa 的三軸抗壓強度，凝結72 h 后，三軸抗壓強度達到4.2 MPa，且當應變達到12%時，其殘余抗壓強度仍能達到其峰值的60%以上，該性能的高水材料能夠滿足工作面過空巷的充填需求。

（2）充填系統設計

高水材料分為甲料和乙料兩部分，使用時對甲乙料分別加水后通過管道輸送到充填區域并混合，甲乙料混合比選擇1:1，甲乙料都具有水溶性，在輸送過程中不會出現凝固，只有在混合后經過一定時間才會凝固。充填系統示意圖如圖1，圖中1#攪拌桶和2#攪拌桶對甲料進行兩次加水攪拌，3#和4#攪拌桶對乙料進行同樣工藝作業，注漿泵通過兩路吸漿管路將甲乙漿液進行加壓輸送，出漿管將漿液輸送到混料器中進行混合，然后通過短距離輸送管道將高水材料輸送到特定充填區域。

圖1 充填系統示意圖

通過卸料機將甲料和乙料加入到攪拌桶中，開啟注水泵注水攪拌，1#、2#攪拌桶和3#、4#攪拌桶互為交替進行注水攪拌和注漿作業。8418 工作面過空巷充填高水材料注水管輸水壓力不低于0.5 MPa，注水能力不低于15 m3/h，注漿泵采用660 V工作電壓。在高水材料注水過程中，施工人員進行支設臨時半密閉作業，密閉完成后注漿泵啟動，觀察出料口甲料和乙料混合情況，待出料混合均勻后將注漿管插入空巷中進行充填作業。8418 工作面高水材料充填系統主要設備見表1。

表1 8418 工作面充填設備明細表

（3）工藝實施方案

充填體本質作用是對過空巷進行支護，保證巷道頂板不出現冒頂，因此在回采工作面超前支承壓力作用下，充填工藝實施需要重點考慮以下特點：充填體漿液在充填階段流動性要好，能夠在充填壓力作用下充滿整個空間；充填體漿液在凝結階段要具有凝結速度快、凝結強度高特點，且需具有良好的塑性變形，能夠支護巷道頂板承受超前支承壓力，保持巷道圍巖穩定。皮帶巷老巷長度為225 m，充填作業將巷道劃分為多個充填區域，每個區域長度為8 m，如圖2。

圖2 注漿分段區域劃分示意圖（m）

為了保證每個充填區域的充填漿液能夠充滿，在充填作業前對區段前后進行止漿墻設置，采用木立柱上釘16 mm 木板，并內側襯一層風筒布的結構構建，兩側插入巷道兩幫300 mm，頂部和底部插入200 mm。為防止注漿管路堵塞影響充填注漿作業，在分段區域內鋪設兩路管路，一路進行注漿作業時，另外一路可以作為排氣管道使用，防止密封區域內壓力升高，增加注漿泵負荷，注漿管路鋪設在巷道頂部，鋪設圖如圖3。在止漿墻離巷道頂部100 mm處開設充填高度觀察孔，充填作業至漿液從觀察孔流出后，使用棉紗將孔堵住，繼續充填12 min，注漿泵上壓力顯示為1.2 MPa 后停止注漿，采用局部通風機對充填區段進行通風，待充填體凝結后循環第二區域充填作業。

圖3 充填注漿管路鋪設示意圖

3 空巷充填后圍巖礦壓監測分析

（1）礦壓監測設備

設置支架測站進行8418 工作面支架壓力變化實時監測，在監測工作面的上、中、下各設置一條監測線，均勻布置YHY-604 型支架測力儀和本安型數字壓力計，監測并記錄工作面巷道各監測斷面壓力數據。礦壓監測設備見表2。

表2 礦壓監測主要設備

（2）礦壓監測結果分析

由于監測設備在工作面揭露空巷和繼續推進進入空巷的整個過程中，監測到的壓力數據不一樣，相較而言在未充填空巷處支護的支架支承壓力比充填區域處支架支承壓力大，為了便于統計，在數據處理階段將布置在未充填區域的支架監測數據進行了均值處理，按照距離工作面不同距離的支架壓力監測數據繪制如圖4。

圖4 距離工作面不同距離支架壓力曲線圖

通過圖4 可以看出，8418 工作面距離空巷50 m 左右處，支架支承壓力開始受到空巷局部充填的影響出現變化，但變化趨勢穩定，壓力增加不大，該狀態持續至距離空巷20～50 m 范圍內；當工作面距離空巷小于20 m 時，支架支護阻力急速增加，從穩定的29.6 MPa 增大到30.5 MPa，且最大支護阻力出現在工作面到空巷處，但該支架支護阻力仍小于ZY1300-35/68D 型支架安全閥的開啟壓力，即雖受到空巷影響，但支架支護效果明顯。從監測數據可以看出，當工作面越過空巷后，支架支護阻力迅速恢復到低值。

對充填體的穩定性進行觀察，當工作面推進到離充填空巷距離較近時，高水材料凝結后的充填體能夠有效保持巷道兩幫和頂部圍巖的穩定，沒有出現任何片幫現象；當工作面推進到充填空巷處時，充填體能夠被采煤機穩定切割，并沒有出現片幫現象，且支架前方巷道頂板也沒有冒頂。對比工作面快揭露空巷時和已經揭露空巷時充填體的外觀，可以看出充填體表現出了良好的塑性變形特點和讓壓性能。

4 結語

結合8418 工作面地質條件，在綜采過程中對過空巷段采用高水材料充填工藝，保證了作業安全，形成以下結論：

（1）采用高水材料作為空巷充填材料，結合8418 綜采工作面過空巷地質特點，選用水灰比2.4:1比例，經試驗驗證，該比例的高水材料在24 h 凝結后的三軸抗壓強度不低于3.5 MPa，特性滿足空巷充填需求。

（2）充填作業將工作面過空巷劃分為多個區域，每個區域長度8 m，每個充填區域前后設置止漿墻，進行支設臨時半密閉，注漿泵上壓力顯示為1.2 MPa 后完成注漿。

（3）對ZY1300-35/68D 型支架支護阻力進行監測，8418 工作面距離空巷50 m 左右處，支架出現變化，在距離空巷小于20 m 時，支護支架的支護阻力從29.6 MPa 增大到30.5 MPa，小于支架安全閥的開啟壓力。

（4）在工作面揭露空巷時對充填體進行觀察，充填體具有良好的塑性變形特點和讓壓性能。