高水充填技术在过空巷中的应用

时间：2024-08-31

冯明明

【摘要】为确保工作面能够顺利通过空巷，本文以山西某矿3311工作面地质条件为基础，对高水材料性能及充填方案进行了研究，提出了采用高水充填材料过空巷的方法。通过分析不同配比下高水材料的性能，确定采用水灰比为1∶1的高水材料，并对具体充填方案与空巷补强加固方案进行了设计。根据空巷充填完毕后巷道围岩的变形结果，巷道变形整体较小，表明采用充填方案后工作面能够顺利通过空巷。

【关键词】综采工作面;空巷;高水材料;充填方案

【中图分类号】 TD353 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）03-0029-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

由于小煤窑的大量开采，导致煤层结构被破坏形成废弃巷道。在新矿井对残煤开采过程中过空巷时，在受到工作面的回采影响后，围岩破坏程度加大。并且随着工作面与这些巷道距离的逐步减小，巷道周围的高应力环境会与工作面周围岩体的支承压力相重合，产生剧烈的动压现象，对工作面的支架形成大量載荷，导致压架、倒架的情况出现。过去工作面过空巷的方法主要有两种，第一种方法是对空巷的围岩加强支护，采用密集单体液压支柱的方法通过空巷，但支柱的支承能力有限，无法对巷道起到保护作用，导致经济损失加重;第二种方法是以空巷作为新的切眼重新布置工作面，但这种方法导致工作面工序增加，并且损失大量的煤炭资源。上述两种方法均有着一定的局限性，因此寻找合理的工作面过空巷技术措施十分必要。本文以山西某矿过空巷工况为基础，提出采用充填的方法保证工作面安全通过空巷，该研究结果对其他相似情况工作面有着一定的借鉴作用。

1矿井概况

山西某矿开采煤层为3号煤，煤层的平均厚度为6m，其中3311工作面为一水平综放工作面，工作面煤层采高为3m，放煤高度为3m。工作面前方250m存在着两条封闭的空巷，两条巷道与3311工作面切眼大致呈平行的关系，巷道之间的距离约为15m，封闭巷道为矩形巷道，巷道高度为3.3m，宽度为4.6m，由于工作面倾斜长度为190m，两条封闭的巷道贯穿整个工作面，因此可确定空巷长度不小于190m。工作面与巷道分布情况如图1所示。

2高水材料配比研究

空巷周围岩体往往处于较高的应力水平，这是由于原始巷道开挖后会在周围形成应力集中情况，加之工作面超前支承应力的叠加作用，会导致工作面开采中出现强烈的动压现象。如果可以采取一定物体对空巷围岩进行一定的支撑，减轻空巷周围的应力集中情况。为了3311工作面推进中能顺利通过两条空巷，本文提出采用充填材料过空巷的方法。常用的充填材料包括高水材料与超高水材料，两者在凝固时间上有着一定的差距，由于高水材料凝固后所能提供的支撑强度要大于超高水材料，因此本次充填技术采用高水材料对空巷进行充填。根据不同的材料与不同的配比方式，高水材料凝固后所能提供的支撑强度有着一定的区别，因此有必要对高水充填材料的参数及支撑能力进行对比分析，从而选择合理的充填材料。

高水充填材料为一种双料无机粉末状物体，包括A料与B料，两者与水的混合比例在1.5～2.5∶1范围内。采用高水材料进行充填，其稳定性较好，并且凝固时间较短，能够在较远的距离对空巷进行充填。高水材料不同的凝固时间所能提供的支撑强度不同，不同比例下高水充填材料性能测试结果如表1所示。由于3311工作面空巷长度较大，因此选择材料的水灰比为1∶1，该比例下材料一般凝固2h后的强度最低可达到11.2MPa，当凝固3d后，其支撑强度能够达到15MPa以上。

对A料与B料的黏度与流动度进行分析可判断高水材料是否能够满足本工程需求。A料与水混合后，其初始流出时间为31.3s，等待5h后其流出时间为32.9s;B料与水混合后，初始流出时间为29.5s，等待5h后流出时间为31.9s，两种材料与水混合放置5h后的黏度并无太大变化。A料的初始流动度为305mm，放置5h后的流动度为295mm;B料的初始流动度为330mm，放置5h后的流动度为318mm，两种材料放置5h时后的流动度变化较小。通过上述分析可知，两种材料分别与水混合后能够在一段时间内保持液体状态，满足远距离的充填过程，因此符合本工程要求。

3空巷充填方案研究

本文对该矿井3311工作面超前空巷充填方案分为两部分，首先对封闭二巷进行充填，待二巷充填完毕后对一巷进行充填。

3.1封闭二巷充填方案

（1）钻孔方案布置

根据两空巷水平高度情况，一巷的标高要高于二巷，因此可从一巷施工钻孔向二巷进行充填，钻孔与水平夹角约为1°～3°，穿过两巷道之间煤柱接通二巷。一巷内充填钻孔共布置8个，每个钻孔的间距为25m，钻孔直径设计为75mm，采用直径为38mm的高压胶管进行充填。充填钻孔应施工在二巷的最高位置。

（2）检查钻孔布置

为确定二巷充填效果，在一巷内布置检查钻孔，钻孔位置在巷道标高较高处，检查钻孔分别布置在巷道内60m、120m、180m处。检查钻孔参数与充填钻孔相同，一方面检查钻孔可检测充填钻孔内有无堵塞现象出现，另一方面可验证二巷内充填材料是否在各位置与顶板成功接顶。

（3）充填管路设计

本次高水充填工程设备为双液充填泵，充填泵的流量为700L/min，通过Y型混合器将两种料液混合为一管。两种材料分别通过搅拌桶与水进行混合，先加水后加料，加料的同时打开搅拌器防止材料沉淀，两搅拌桶采用直径为50mm的高压胶管注入至充填泵中进行混合。一巷内充填管路在铺设过程中应防止管路交缠在一起，尽量平直挂放。

3.2封闭一巷充填方案

一巷内充填过程分为两个阶段。第一阶段现在一巷底部位置施工挡墙，挡墙高度为2.8m，上方留有0.5m的空间作为巷道通风使用，第一阶段的充填过程主要是用于观察巷道内充填材料的凝固情况、浆液的扩散情况等，充填放浆点布置在挡墙上最高点。

第二阶段充填在第一阶段充填液面达到2.8m处时开始实施，此时先将挡墙上方留有的0.5m空间进行封闭，留有充填钻孔即可，待挡墙搭建完毕后，继续对空巷进行充填注浆，直到巷道内材料充满为止。

3.3空巷补强加固措施

为提供充填后空巷的稳定性，在充填同时对空巷采取一定的补强加固措施。在空巷内底板、两帮和顶板预先铺设铁丝网，并将所有铁丝网共同搭接连成一个完整结构，底板铁丝网悬空搭设。除铺设铁丝网外，在铁丝网下安装道轨对底板进行加固，导轨长度与巷道宽度相同，两根道轨间距为10m，道轨与底板高度在0.8～1m范圍内，顶板安装悬吊槽钢，通过钢丝绳悬吊道轨与铁丝网。补强加固方案如图2所示。

4巷道围岩变形监测研究

3311工作面空巷充填完毕后，在工作面33113巷内布置测站，对工作面推进中巷道围岩变形情况进行监测。测站布置在工作面空巷位置处，对工作面推进至空巷位置前的巷道围岩变形情况进行记录，监测结果如图3所示。

从图中可以看出，工作面自切眼开始至推进到空巷位置时，巷道围岩变形呈现增大的趋势。在工作面与空巷的距离大于30m时，巷道围岩整体的变形基本稳定，围岩变形处于较小情况。当工作面与空巷道的距离小于30m后，围岩变形突然加剧，表明工作面对巷道围岩的影响距离约为30m，工作面过空巷后，顶底板移近量最大为122mm，两帮移近量最大为89mm，围岩变形整体较小，对空巷的影响较小，工作面能够顺利通过空巷，表明采用高水材料充填空巷的措施具有着一定的可行性。

5结论

本文以山西某矿过空巷地质条件为基础，提出了采用充填的方法通过空巷，具体结论如下：

（1）分析了充填材料在不同配比下的性能，根据3311工作面空巷条件，确定采用高水材料进行充填，材料水灰比为1∶1，材料凝固2h后的强度最低可达到11.2MPa，凝固3d后，其支撑强度能够达到15MPa以上，并且充填材料的黏度与流动度能够满足过空巷需求。

（2）设计了具体的空巷充填方案，即先对封闭二巷进行充填，后对一巷进行充填，并对空巷补强加固措施进行了完善。

（3）空巷充填完毕后，对工作面自开切眼推进至空巷时的围岩变形量进行了监测，监测结果显示巷道围岩变形整体较小，表明采取充填措施后，工作面能够顺利通过空巷。

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