龍華煤礦淺埋綜采工作面過上覆空巷充填技術研究

齊曉華，王 力，王冬冬，張 利

（陜西煤業化工集團 孫家岔龍華礦業有限公司，陜西 神木 719300）

0 引言

淺埋煤層綜采工作面過空巷一直是煤礦開采未能很好解決的技術難題[1-4]，空巷易造成工作面頂板應力顯著集中、圍巖變形、壓架等礦壓異常問題，嚴重影響工作面安全開采[5-6]。根據空巷與綜采工作面的空間層位關系，可將其分為3 類：平行于工作面、斜交于工作面和垂直于工作面[7]。傳統過空巷[8-11]采用密集支柱或木垛加強對空巷頂板的支護；采用“錨桿+錨索+鋼帶”加固空巷頂板和（玻璃鋼+塑料網片）加固空巷兩幫；在空巷內填充浮煤、高水速凝材料；調整工作面與空巷夾角，減少每次割煤揭露空巷的長度。

龍華煤礦20112 綜采工作面前方空巷與工作面為垂直斜交方式，且空巷具有20°的坡度，支護體易受超前采動應力影響而失穩。工作面通過時，空巷作為工作面頂板，要求空巷內外部支護具有極好的穩定性。因此，本文針對龍華煤礦20112 工作面地質采礦條件，研究工作面過上煤層空斜巷補強支護方式、高水速凝材料全部充填技術，以保證工作面安全、順利、快速的通過空斜巷。

1 概 況

1.1 20112 工作面概況

龍華煤礦20112 綜采工作面位于201 盤區西翼，開采2-2 煤層，工作面埋深120～ 140 m，上覆基巖厚度為53～96 m，松散層厚度為0～40 m。20112 工作面是典型的淺埋超長孤島綜采工作面，采高3.2 m，走向推進距離2 089 m，傾向長度393 m，煤層傾角0～3°。基本頂為粉砂巖，厚度16.5～17.4 m，直接頂為中粗類砂巖，厚度0.98～12.47 m。工作面采用全部垮落法一次采全高采煤法，選用ZY10000/20/40D 二柱掩護式液壓支架對工作面頂板進行支護。

1.2 空斜巷位置及斷面情況

20112 綜采工作面在推進前方存在1 條101 盤區回風斜巷，如圖1 所示。101 盤區回風斜巷為拱形巷道，與工作面垂直相交，巖巷開口位于2 號煤101 盤區回風巷860 m 處，斜巷長度124 m，掘進時先由+6°掘進5.325 m，再開始+20°坡度掘進，巷道凈寬4.2 m，凈高3.6 m，拱高2.1 m，如圖2所示。

圖1 20112 工作面與上覆空斜巷空間位置關系Fig.1 The spatial position relationship between No.20112 Face and overlying empty inclined roadway

圖2 101 盤區回風斜巷斷面Fig.2 Section of No.101 panel return air inclined roadway

回風斜巷頂板采用錨噴支護，使用φ20 mm×2 100 mmⅡ級螺紋鋼錨桿，錨桿間、排距為800 mm×800 mm，菱形布置，每根錨桿使用3 節MSZ35/35 型樹脂藥卷，托盤規格150 mm×150 mm×8 mm，托盤采用Q235 材質。使用φ15.24 mm×6 500 mm 鋼絞線錨索，錨索間、排距2 400 mm×1 600 mm，菱形布置。每根錨索使用3 節MSZ35/35 型樹脂藥卷，一塊16 號槽鋼托板，長300 mm。巷道頂、幫均掛φ6 mm 的Q235 鋼筋網，網格為100 mm×100 mm，要求網片鋪設平直，接茬處搭接100 mm，并每隔200 mm，用12 號鉛絲扭結。

1.3 空斜巷的開采危害性分析

20112 工作面推采過程中，空巷的存在干擾了工作面超前支承應力的正常傳遞，導致空巷周圍應力分布狀態復雜化。

（1）當工作面推采至空斜巷時，受回采和超前采動應力影響，空斜巷有可能出現礦壓顯現劇烈，導致空斜巷頂板失穩局部周期性冒落，上部空巷首先受到破壞；隨著工作面的推進，頂板基巖厚度逐漸減小，有可能出現空斜巷上覆巖層急劇下沉，造成空斜巷底板破斷，工作面產生沖擊壓力，致使支架失穩傾倒或壓死支架。

（2）當工作面推采至斜巷交叉口與空巷貫通之前，空巷和回采工作面之間的煤柱容易突然失穩，此時僅依靠錨桿、錨索很難控制空巷頂板的破斷，此時，頂板極有可能在架前冒落，影響工作面液壓支架的正常通行，且冒落瞬間具有一定的沖擊性，嚴重威脅生產安全。

2 空巷支護方式的確定

由于工作面前方存在超前支承壓力，往往會在工作面臨近時造成空巷頂板垮塌、片幫、大范圍冒頂，甚至壓死支架等災害。目前國內預空巷主要有如下方式進行頂板支護：木垛或單體柱、垛式支架、墩柱、膏體或高水材料充填。

（1）木垛或木柱支護。

木材屬于彈性模量較低的材質，受壓時容易產生大變形，木點柱太高，細長比太小、支護強度較弱，巷道斷面大、埋深大、地應力大，頂板來壓時容易發生脆性折斷，甚至在工作面臨近空巷時，超前支承壓力即可能壓斷木柱等支護體，造成空巷大變形，一旦發生該現象，則需頂板重新注漿加固，成本高，嚴重影響工作面推進速度。

（2）垛式支架支護。

垛式支架型號多樣，護頂面積大，能夠承載頂板的大變形，支護強度高，支護阻力不降低。缺點是垛式支架增加副斜井提升運輸量，租賃費用高；垛式支架為重型設備，搬運、安裝存在擠傷人等安全風險，拆垛式支架需要反復支撐頂板，容易造成對頂板已有支護體的破壞。

（3）強力墩柱支護。

強力墩柱適用于井下現場制作，采煤機可割碎，利用皮帶運輸機運出，便于安裝和拆卸，施工作業機械化程度高。強力墩柱所用的材料是各種形式的充填材料灌漿，是由遠端泵送到需要支護的區域，通常是被泵入到一個充填袋中。充填袋通過懸掛在頂板上形成一個空間來注滿充填材料，從而形成支撐柱。

（4）高水材料（膏體）充填支護。

高水速凝材料是一種雙料特種水泥混合材料，是近年來礦山充填應用較為成功的材料之一。該材料由A 料、B 料兩種材料組成，以重量配合比1∶1 使用，其中A 料是以硫鋁酸鹽水泥熟料為基材，以懸浮劑及少量超緩凝劑混磨而成，B 料是由石灰、石膏、懸浮劑和復合速凝早強劑等混磨而成。根據不同的充填強度需求，可選擇不同的水灰比。施工時將兩種材料分別攪拌，配制成水固比1.0～4.0 的漿體，經過管道輸送到待充區中，當兩種材料匯聚后迅速凝固，對巷道頂板進行有效支護。

龍華煤礦20112 工作面前方空巷與工作面為垂直斜交方式，工作面通過時，空巷作為工作面頂板，這就要求空巷內外部支護具有極好的穩定性。木垛、木點柱支護不能滿足支護要求，垛式支架支護又不能滿足設備回收要求，新型強力墩柱支護強度較大，但由于空巷具有20°的坡度，一方面施工困難，另一方面墩柱穩定性易受超前采動應力影響。因此，綜合考慮上述4 種巷內加強支護方式的優缺點，龍華煤礦20112 工作面空巷選擇采用全部充填方式進行加強支護，保證20112 工作面安全順利通過空巷。

3 回風空斜巷充填實施方案

3.1 垮落帶高度計算

根據龍華煤礦201 盤區地質說明書，盤區頂板實測抗壓強度為31.4～ 34.7 MPa，屬中硬強度頂板。則頂板垮落高度為：

帶入計算得，20112 工作面垮落帶高度為7.5～11.9 m。

根據工作面鉆孔柱狀結構，煤層直接頂板厚度5.1 m，以粉砂巖、中砂巖和炭質泥巖為主，老頂厚度12.08 m，中砂巖，灰白色，以石英為主，次為長石及暗色巖屑，分選性差，磨圓度中等，局部含菱鐵質結核。因此，空斜巷充填時，需將直接頂范圍內充填即可，充填高度5.1 m 時，對應空巷斜長16.4 m，保留1.2 倍富余系數，充填長度取20 m，對應充填高度6.8 m，滿足工作面推采要求。

3.2 高水材料充填工藝

充填材料單漿可保持12 h 不凝固，雙液混合后可在30 min 內初凝，由于高水材料可遠距離輸送，充填泵站可靈活布置。高水材料充填工藝如圖3 所示。

圖3 高水材料充填工藝流程Fig.3 Filling process of high water material

如圖3 所示，將高水充填材料A、B 按1∶1的比例配合使用，A、B 料單獨攪拌，經兩條管路分別輸送，在待充區域附近經混流器混合均勻后充入采空區，凝固形成充填體支撐頂板。

3.3 回風斜巷充填方案

回風斜巷斷面13.2 m2，充填斜長20 m，考慮充填斜角等，初步估算充填量410 m3。針對回風斜巷特點，其具備一定的角度實施充填較為有利，為仰斜充填。首先將巷口充滿，一旦充填管路發生堵管等故障，將影響后續充填。為保證充填施工順利進行，采用分段充填方式，將回風斜巷分為3 段（圖4）。第1 段水平長度3 m，傾斜長度5 m，充填體積179 m3；第2 段傾斜長度5 m，充填體積99 m3；第3 段傾斜長度20 m，充填體積132 m3。

根據高水材料特性并參考工程實踐經驗，綜合考慮井下施工條件、工作面超前支承應力的作用效果、漿液固結強度及材料消耗等因素，確定空巷充填材料的水灰比為4∶1，材料終凝強度3 MPa。

4 回風空斜巷充填效果分析

20112 超長孤島工作面的空斜巷采用高水速凝材料充填技術，有效控制住了巷道的失穩下沉。工作面的推進速度快，過空斜巷時間短，降低工作面頂板冒頂的可能性。工作面距空斜巷12 m 周期來壓，距空巷3 m 停機等壓，工作面壓力升高47.5 MPa，等壓結束后，向前推進一刀煤，工作面支架壓力普遍降低到正常壓力28.0 MPa。等壓效果良好，使工作面過空巷期間頂板壓力正常，沒有出現冒頂、壓死支架等事故。

5 結論

（1）根據20112 工作面回風斜巷特點，將斜巷分為3 段進行充填，保證了充填管路的可靠性，通過設置排氣管，監測空巷內充填液面位置，實現了充填材料用量的預估，避免材料浪費，有利于現場施工管理。

（2）現場工業應用表明，高水材料充填是解決工作面空巷支護問題的有效手段之一?？障锍涮詈螅蓪崿F工作面的安全回采，采用4∶1 高水材料時，空巷被充滿填實，工作面通過時，充填體可作為假頂使用，有效保證工作面的安全順利通過。

（3）高水材料充填處理工作面空巷問題，具備施工速度快、效率高、支護效果好等特點，具有廣泛應用價值和推廣意義。