墩柱充填在过空巷中的研究与应用

时间：2024-07-28

李树伟

（山西兴县华润联盛车家庄煤业有限公司，山西吕梁 033600）

车家庄煤矿老巷空巷错综复杂，采煤面的安全管理难度与日俱增。13302采煤面回采时，需要过空巷，巷道围岩的压力大，对巷道支护极为不利[1-2]，稍微管理不慎，就对采煤面的安全回采造成难以控制的局面。运用高水材料对空巷进行充填的案例较多，也比较成功[3-4]，就是成本相对较高。

1 工程概况

车家庄煤矿13302采面在-750 m水平的西一采区，采煤面为-539～ -613 m，走向长275 m，倾向长158 m，采高均值2.3 m，倾角16.2°。北、西两面均为老空区，南为13301材料道老硐。13303采煤面是13302采煤面的接续工作面，两个工作面有一定的重叠区域，13303采煤面回采时需要经过13302采煤面的材料联络巷（二）和13302采煤面材料道，如图1所示。此时就存在上面所提的各种难题，需要很好地控制住空巷的顶板，尤其是13302材料道的顶板，以防漏顶空顶等不利现象发生。13302采煤面的材料联络巷（二）和13302采煤面材料道是为13302采煤面回采服务的，巷道在13303采煤面推采前仍在正常使用，13303采煤面的超前应力影响前，需要对其进行加强支护。若采用锚网索进行常规的加强支护，材料成本和人工成本均较高，效果还不一定。若采用液压单体进行加强支护，顶板在一定程度反而存在点柱式支护的破坏，尤其当单体没有行程后必定对顶底板进行插入式破坏，单体的回收也是一个难题。

图1 13302采煤面过空巷示意图

2 充填方案

2.1 材料简介

高水材料分X料、Y料，将X料、Y料分别加水制浆泵送至充填点混合，X、Y料浆均独自搅拌、泵送稳定性良好，混匀后可以极速凝固。高水材料实验室的抗压强度与应变强度关系如图2所示。由图2可以看出，胶结体在低水灰比下具有很强的抗压能力，可以很好地支护顶板。支护顶板基本顶的同时，当顶板压力过大时，胶结体可以发生较明显的塑性变形。当变形达到10%时，胶结体仍然具有较高的抗压强度；当胶结体塑性变形接近20%时，强度可以到达6 MPa以上，这个强度的充填体，采煤机可以轻松地割过去。

图2 高水材料性能关系图

2.2 墩柱充填

墩柱充填定性分析可以解决采煤面过空巷的问题，为了确保安全快速地进行推采，需要定量设定墩柱充填的大小、布置方式。13303采煤工作面推采过程中需要斜交13302采煤面的材料道，在一定程度上，类比13302采煤面两道的超前支护强度即可满足13303采煤面的超前应力影响，若采用原来相似条件下的过空巷经验，使用液压单体配合铰接顶梁对老巷进行支护时，即采用相当强度进行支护即可。13302工作面两道的超前支护如图3所示。原锚网索联合支护的强度两种是一致的，唯一的区别是加了直径100 mm的液压单体加一字铰接顶梁进行了加强支护，从支护剖面图上可以看出，加打了3排液压单体，排距为1200 mm。

图3 13302工作面超前支护剖面图（mm）

13302材料道的宽度为4.2 m，液压单体的安全阀卸压强度为40 MPa，此时的工作强度为3.14×0.05 m×0.05 m×3×30 MPa/（4.2×1.2），即此时的支护强度为0.19 MPa/m2。

墩柱支护没有整个空巷完全充填的效果好，但是出于经济与安全的双重考虑，墩柱充填用料少，人工少，经济效益良好。采用直径为1.0 m的墩柱，墩柱与墩柱中心点间隔3.0 m的梅花布置，如图4所示。按照应变达到20%时的强度进行验算，此时的充填胶结体强度为4.0 MPa，此时的支护强度为3.14×0.5×0.5×2×4/（4.2×3.0），即此时的支护强度达到0.50 MPa/m2。这样的支护强度达到了原先使用液压单体支护的2.63倍。因为是初次使用墩柱支护，安全系数保守一些设计。由此可以得出，在不考虑其他影响因素时，老巷区域的墩柱支护强度大于液压单体加铰接顶梁的支护强度，即墩柱支护强度能够满足生产需求。

图4 墩柱布置示意图（mm）

2.3 工业应用

13302材料道采用墩柱进行充填，充填水灰比选用1.5:1，墩柱直径1000 mm，墩柱与墩柱中心点间隔3.0 m的梅花布置，即1400 mm×3000 mm的梅花布置。墩柱充填前，需要提前立模，施工前，清理充填区浮煤、煤矸石，预留立模空间，然后根据墩柱尺寸严格设置钢筋网模板，确保连接紧密可靠，充填袋整齐悬挂，用铁丝固定可靠，再用液压柱背好木板，之后即可进行制浆泵送充填。充填时及时观察充填袋的情况，发现问题及时处理。24 h后，充填胶结体强度上来后，即可拆除液压单体支柱及背板，支柱及背板可以循环使用。逐步对整条老空巷进行充填。

2.4 效果对比

13302采煤面类似条件下过13301材料道联络巷时，角度基本一致，采用的是液压单体加一字铰接顶梁支护空巷，过空巷期间，每天平均采煤3刀50架。采用墩柱充填后，过空巷的回采进度达到了每天6刀75架，生产效率得到了大幅提高，人员的劳动强度也得到了大幅降低。原先单体的损坏率极高，这一单项的费用已经超过了高水充填的费用。