超高水材料充填掘进空巷技术研究与应用

徐文平

（马道头煤业有限责任公司，山西 大同 037100）

煤层地质条件千变万化，特别是受火成岩侵入和断层群影响的区域，煤层连续性受到严重破坏，掘进现场无计划揭露地质构造时有发生，形成了空巷和废巷，严重制约矿井的安全生产衔接，需要及时充填。传统的空巷充填材料以木料、钢梁、煤矸、粉煤灰为主，充填费用高，耗时长，用工多，劳动强度大，充填后的空巷仍然存在大量的缝隙，形成了有害气体积蓄空间。为了确保空巷充填安全经济和快速可靠，提出采用超高水材料进行充填[1-3]。该材料具有诸多适合充填优点，如：早强快硬、初凝时间可调、混合浆液前期流动性好等，固结后体积应变小，在三向受力状态下不可压缩性好。

1 工程概况

马道头C3#层二盘区2222 巷为8222 工作面的进风顺槽，该巷沿煤层底板掘进，为全煤巷道。巷道设计高度为3.7 m，宽度为5.4 m，设计长度为2382 m，煤层倾角1°～3°，平均2°。在实际施工过程中，2222 巷地质条件十分复杂，火成岩侵入严重，断层带较多，煤层倾角变化较大，煤质酥松，支护复杂。掘进至424 m 处遇H=4.5 m、∠25°正断层，掘进队以5°坡向下施工；掘进至440 m 处遇H=5 m、∠23°正断层，该处煤层被火成岩侵入，继续以5°坡向下施工；又掘进23 m 后遇到岩墙21 m，掘进队平掘度过后，探巷发现煤层在巷道上方。根据前方钻孔及实测巷道标高，推断煤层赋存倾角为5.5°，正常施工需掘进173 m 岩巷才能见煤层底板，决定退后123 m，在原有巷道进行填充超高水材料再进行挑顶，继续向前掘进。

2 超高水材料充填方案设计

2.1 超高水充填系统建立

（1）充填泵站

利用2222 巷里程420 m 处的调车硐室作为充填泵站硐室，该硐室规格为长10 m×宽4.5 m×高3.7 m，能够满足泵站布置要求。泵站选用型号为ZBYSB210/9-18.5 型液压双液注浆泵，设备参数见表1 和表2。

表1 注浆设备及参数表

表2 设备配套及参数表

（2）管路布设

为了把泵站制备的浆液输送到2222 巷待充填区域，需要布设管路进行浆液的输送，管路规格按照表3 中要求的规格尺寸准备。

表3 泵站管路规格参数表

（3）通风系统构建

充填区域正常通风，超高水充填前，2222 巷已由里向外用煤矸充填至里程465 m 处，充填高度为原巷道的2/3。充填期间，充填区域正常通风，待充填完毕时，直接切断充填区域通风，将风筒撤至465 m 处，并用煤矸石将原巷道口完全充填。

2.2 充填工艺及作业流程

（1）充填工艺

采用的超高水材料主要由A、B 两种物料组成。A、B 物料分别以质量比1:6 比例在各自的浆液融合桶中与水融合，再以1:1 比例在双液泵中配合使用，经三通运送至充填区域，如图1。

图1 超高水材料空巷充填系统图

（2）充填作业流程

充填作业前向2222 巷迎头铺设两条管路（两条四寸管用于超高水材料充填作业，另一条为2 寸管，用于充填时排放巷道内气体）。充填作业分两次进行，首先将混合管挂在原巷道465 m 顶板上，对煤矸石充填区域进行充填。第一次充填完毕后，对原巷道545 m 处未能充填区域进行第二次充填，如图2。具体操作为：启动泵，试运转1 min 后，若无异常，可将2 根单浆管接至三通，另外一个通路连接混合管，注浆；ZBYSB 系列液压注浆泵具有恒功率特性，即注浆压力低时，自动保持较大注浆流量，注浆压力高时自动减少注浆流量，注浆终压时，可做到保持高压，注浆流量极小，注浆中途如需改变注浆压力，调溢流阀即可；注浆结束时，应立即将吸排浆管放置在清水中，吸排清水不少于10 min，保证管路中无残留浆液。

图2 超高水材料充填流程示意图（m）

（3）注意事项

吸浆管龙头应全部置于浆液面以下，不能吸入空气，也不能将吸浆龙头去除直接用吸浆管吸浆；要保证浆液搅拌均匀，无大颗粒及异物进入吸浆管；吸浆管与吸浆接头之间一定要用管箍或铁丝卡紧，不能漏气；注双液浆时，应固定使用同一搅拌桶。

3 技术经济对比及效益评价

结合以往施工经验提出三种充填空巷的方案：（1）原巷道充填超高水材料；（2）用U 型钢棚和木垛加强空巷支护方案进行充填；（3）分层挑顶，最后来进行技术经济分析与效益评价。

3.1 充填超高水材料方案

2222 巷净高3.7 m，净宽5.4 m，净断面为19.98 m2。综合考虑巷道成型、片帮、裂缝等影响，将净断面定为20 m2，充填范围为467～545 m，共计78 m，所以注浆量=20 m2×78 m=1560 m3。本次施工过程共使用超高水材料260 t，项目单项费用见表4。本次超高水材料充填后，注浆设备、搅拌桶等均采用原矿井已有设备，按照5 年年均折旧法计提折旧，本次充填方案设备摊销成本为（18+2.909）÷5=4.181 8 万元。如前所述，本次超高水材料充填总费用为：设备摊销成本+超高水材料费+技术服务费=4.181 8+39.338+10=53.519 8 万元，预计施工工期10 d。

表4 充填超高水材料项目成本费用统计表

3.2 U 型钢棚和木垛加强空巷支护充填方案

用U 型钢棚和木垛加强空巷支护方案进行充填的方案施工距离同样为78 m，地点与超高水材料充填地点一致，方式采用U29 钢棚+方木。在架设U29 钢棚时，每架钢棚由三根直腿、一节棚梁组成，棚梁净宽3.3 m，每根棚腿由两段2500 mm 长棚腿组成，搭接长度不小于450 mm，棚腿间距为1350 mm，棚间距1000 mm。支设木垛所用方木为200 mm×200 mm×2000 mm，呈井字型支设两排，且每排木垛交叉搭接。项目单项费用见表5。U29 钢棚成本+木垛成本80.321 2万元，预计施工工期20 d。

表5 做假顶项目成本费用统计表

3.3 分层挑顶方案

分层挑顶进行充填的方案施工距离为156 m，第一次挑顶78 m后，退后至挑顶位置再次挑顶78 m。挑顶段为全岩巷道，延米单价为1.2 万元/m，预计施工总工期42 d。

3.4 技术经济分析与效益评价

（1）充填超高水材料与架U 型钢棚和木垛加强空巷支护对比，虽然架U 型钢棚和木垛加强空巷支护的技术和工艺均已熟练，但成本很高，充填超高水材料能够相对节省成本26.801 4 万元。

（2）分层挑顶方案施工时间长，工人劳动强度大，施工工期为42 d，人工成本高，总成本远高于充填超高水材料方案，而且分层挑顶施工方案施工难度大，工程质量难以保证，影响后期工作面安全回采。

（3）对于2222 巷充填方案的选择无论从经济效益上，还是从充填效果、底板维护、回采安全等方面考虑，均应选择超高水材料充填方案。该方案与架钢棚和支木垛方案和层次挑顶方案相比，工人劳动强度小，工期短，超高水材料充填时可以根据实际需要调整和控制充填体的强度，满足巷道正常掘进和后期采煤工作面回采要求。

4 结论

（1）超高水材料充填技术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显的成本优势，凭借超高水材料浆液的良好流动性即可完成空巷的充填，不需要对密闭空巷有害气体进行控制，从而节省其他施工方案的人力和物力，经济效益显著。

（2）超高水材料固结体自身具有较好的承载能力，能够通过把围岩裂隙、破碎矸石及碎煤胶结起来，提高整体性能和承载性能，使得空巷与顶底板和两帮密实为一个整体，消除了空巷塌陷的威胁，能够有效解决工作面空巷对底板的不利影响，很好地覆盖了浮煤及围岩裂缝，具有较好的防灭火作用，同时避免了空巷漏风，有利于2222 巷后期的正常掘进和采煤工作面后期回采时安全施工。

（3）超高水材料充填技术具有良好的技术经济效益，值得在同类型矿井空巷充填过程中推广应用。