放顶煤工作面的沿顶垂直空巷充填工艺

高赟跃

（晋城煤业集团赵庄煤业，山西 晋城 048000)

工作面过空巷基本分为两大类：第一类是资源整合矿井在布置正规采面时，需通过前期不正规采掘、巷式开采形成的空巷，这类空巷大多支护质量差或者无支护；第二类是由于矿井产能扩大等原因，工作面加宽加长，原来一部分回采巷道在工作面内部形成空巷，这类空巷大多经过支护，维护状态良好[1-2]。根据其位置可分为顶板空巷、沿顶空巷、沿底空巷、底板空巷；按照其形态可分为完整空巷、半冒落空巷、完全冒落空巷；按照与工作面交叉角度可分为平行空巷、斜交空巷、垂直空巷[3-5]。不同类型空巷对工作面回采影响程度不一，治理方法也多有不同。本文以赵庄二号井2305放顶煤工作面过沿顶垂直空巷为例，介绍了过空巷充填工艺。

1 工程背景

赵庄二号井西盘区目前开采3#煤层，煤层平均厚度4.8m，采用放顶煤开采方式，采高2.8m，放煤高度2m。受地质构造影响，2305短工作面原设计倾向宽度106m，走向长度212m，并已经掘进了23051巷和23052巷两条顺槽，23051顺槽进风，23052顺槽回风，均沿煤层底板掘进。在后期进一步评估地质构造危害后，在回采进度142m位置决定加宽工作面，倾向宽度增加到251m，并新掘进1条顺槽23053巷，23051和23052顺槽进风，23053顺槽回风，分为两个阶段回采，导致23052巷在工作面中部形成空巷。如图1所示。

图1 工作面巷道位置关系示意图

23052空巷毛宽5.3m，毛高3.3m，沿顶掘进，留有底煤，巷道支护强度较高，将来工作面回采至第二阶段时，预计有4～5架揭露空巷。支架在对应23052巷区域形成空顶，并且一直保持到工作面回采结束，如图2所示。超前支承压力作用下，空顶区域有可能发生冒顶事故，造成安全隐患。因此计划针对2305工作面第二阶段23052空巷治理问题展开研究。

图2 过空巷支架不接顶示意图

2 解决思路

目前存在的主要问题是过空巷时4～5架不能接顶，容易诱发冒顶，必须对空巷进行处理，解决思路有4个：

（1）在空巷位置沿顶回采，使支架接顶，向机头和机尾逐步过渡卧底；

（2）在回采期间，在支架上方人工打设木垛接顶；

（3）整巷充填，再造煤壁和顶板；

（4）顶部充填，降低空巷顶板高度，使支架能够接顶。

分析认为：第（1）种方式会造成工作面形成两个“凹”形，损失大量的底三角煤；第（2）种方式工人劳动强度大，危险系数高，木垛可缩变形大，容易产生滑移，不利于顶板维护；第（3）种方式最为安全，但需要消耗大量的充填材料，成本极大；第（4）种方式只需要消耗较少的充填材料，且顶部完全充实，工作面可沿底回采，同时煤体坚硬，煤壁片帮问题影响较小，为最优方式。

顶部充填方式关键在于顶部充填材料和充填工艺，应满足廉价、轻质、适当强度、充分接顶、快速施工的要求。

3 顶部充填实施方案

3.1 充填高度

煤层平均厚度4.8m，工作面沿底回采，采高2.8m，支架最大支撑高度3.2m，空巷沿顶掘进，空巷顶板需要充填高度1.6m，才可以保证支架与充填体充分接触。

3.2 模板支设

采用柔膜袋分段充填方式，5m一段：

（1）在距离空巷顶板1.6m位置在两帮开槽，槽深400mm，然后放入一根5.6m长板梁，板梁间距1m，在板梁上方铺钢筋网和木板，形成一个半封闭充填空间。

（2）将制作的柔膜袋吊挂在充填空间内，并充气鼓胀。柔膜袋采用风筒布制作，尺寸长×宽×高=5.2m×5.5m×1.8m，柔膜袋尺寸相对于充填空间略有富余，以适应充填空间不平整。顶部四周加工吊环，便于悬挂，顶部加工2个袖口，一个用于进料/充气，一个用于排气。如图3所示。

图3 充填柔膜袋示意图

3.3 充填材料

充填材料采用高水充填材料，分为A型和B型，使用时加水搅拌，水灰比3:1，双液混合后，约20min失去流动性，2h强度1.25MPa，3d强度2.12MPa，28d强度3.98MPa，材料消耗量 305kg/m3。

在充填最后阶段，加入一定的物理发泡剂，使充填材料具备10%左右膨胀率，能够充分接顶。

3.4 充填设备

采用ZBYSB200/20-18.5kW液压注浆泵和JB300型电动搅拌桶。搅拌桶4个，A料两个，B料两个，1个桶制浆，1个桶供浆，以实现间歇制浆、连续供浆。注浆泵主要参数见表1所示。

3.5 充填工艺

（1）每班开始前，先支设模板，吊挂充填柔膜袋，在板梁下方支设单体柱，同时清洗设备管路，备料制浆；

（2）柔膜袋充气，将充填混合管插入进料/充气口，开始充填；

（3）时刻关注充填进度，距顶部剩余200mm时，加入物理发泡剂，使充填体主动膨胀接顶；

（4）排气口返浆时，结束充填，扎紧排气口，冲洗管路设备。

表1 ZBYSB200/20-18.5型液压注浆泵主要参数

4 工程量及效果

4.1 工程量

每天半班支设模板，1班充填，充1个柔膜袋，充填长度5m，体积约62m3，充填时间6小时。工程共耗时18d，总充填体积594m3，消耗充填材料180t，高水材料单价1400元/吨，材料成本25.2万元。

4.2 效果

（1）每日纯充填时间6小时，充填体积62m3，充填效率较高；

（2）充填体在充填过程中逐步硬化，流动浆液高度约200mm，有效保证了充填体稳定；

（3）充填体顶部膨胀接顶良好；

（4）工作面通过时，支架接顶良好，未发生空顶、冒顶现象，工作阻力与其他区域无明显区别；

（5）工作面支架后方，充填体快速下沉、折断，未在后方形成悬顶，工作面安全顺利通过。

5 结论

（1）2305工作面过沿顶垂直空巷存在的主要问题是支架不能接顶，存在冒顶风险。采用对空巷顶部充填，使支架能够充分接顶，提高支架工作阻力，节约材料消耗量。

（2）设计了顶部充填方案，采用支设顶部模板，吊挂充填柔膜袋方式，充填高度1.6m，水灰比3∶1，最终强度3.98MPa。

（3）仅消耗180t充填材料，充填效率高，充填体硬化和膨胀接顶良好，支架通过时充分接顶，工作阻力正常，支架后方顶板正常垮落，未形成悬顶，工作面顺利通过。