注漿充填技術在綜采工作面過空巷中的研究應用

范衛軍

（山西晉煤太鋼能源有限責任公司，山西 呂梁 033207）

1 概 況

1.1 工作面概況

王莊煤礦13031 綜采工作面位于該礦13 采區東翼，工作面北為13051、13071 工作面采空區，西為13 采區軌道、膠帶、回風上山，東部、南部為礦井井田邊界保護煤柱。工作面設計走向長875 m，傾斜長180 m，工作面主采二1 煤層，煤層厚度3.5～5.2 m，平均4.5 m，煤層傾角6°～18°，平均12°。工作面煤層賦存疏松，屬于典型的松軟不穩定煤層，煤層結構簡單，不含夾矸，煤層呈黑色，塊狀、粉末狀、鱗片狀，具玻璃光澤，半亮型煤，f=0.15，煤層埋深506～719 m。煤層頂底板情況見表1。

表1 13031 工作面煤層頂底板情況Table 1 Coal seam roof and floor situation of Face No.13031

王莊煤礦13031 工作面運輸巷和切巷在掘進過程中揭露2 條斷層，為確定斷層的具體產狀，保證工作面掘進和回采安全，在工作面掘進期間，在距切眼580 m 位置平行于切眼方向施工1 條探巷，用于探查斷層具體情況，探巷與工作面切眼平交（工作面巷道布置如圖1 所示），在工作面回采期間，需跨空巷回采，給工作面頂板和煤壁管理帶來極大困難。

圖1 13031 工作面巷道布置示意Fig.1 Roadway layout of Face No.13031

1.2 空巷原支護方式

13031 工作面空巷（探巷） 沿巷道頂板掘進，沿煤層傾向布置，巷道總長度130 m，平均坡度10°，巷道斷面寬×高=4 000 mm×3 300 mm，巷道原支護形式為錨網索支護，頂部采用φ20 mm×2 400 mm 的左旋無縱筋錨桿支護，幫部采用φ20 mm×2 000 mm 的左旋無縱筋錨桿支護，錨桿間排距800mm×900mm，頂部同時布置2 根φ17.8 mm×6 200 mm 錨索補強支護，錨索間排距1 600 mm×1 800 mm。巷道支護示意如圖2 所示。

圖2 13031 工作面探巷原巷道支護示意Fig.2 Roadway support of Face No.13031

2 空巷充填加固強度模擬研究

2.1 模型建立

為保證工作面過空巷期間的安全，提前對空巷采取充填加固措施。為確定巷道充填體的合理強度，結合13031 工作面地質條件和現場實際情況，利用FLSC3D 軟件建立空巷充填加固三維數值模型進行模擬分析[1-2]。建立模型的規格尺寸為長×寬×高=240 m×240 m×90 m，其中設計煤層厚度為4.5 m，頂板巖層總厚度設計為62.5 m，底板巖層厚度設計為23 m。模型中，工作面切眼沿模型寬度方向布置，長度為180 m，工作面沿模型長度方向推進，模擬向前推進回采120 m，工作面空巷設計布置在模型左側。

2.2 模擬試驗

模擬試驗開始時，首先進行13031 工作面回采巷道和切眼的掘進及支護，再進行探巷的掘進支護，探巷形成后對巷道內充填不同強度的充填體，模擬13031 工作面向前推進回采過空巷試驗。根據煤柱寬度不同，模擬試驗情況，整理得到如圖3 所示結果。

圖3 空巷巷道頂底板圍巖變形規律Fig.3 Surrounding rock deformation law of roof and floor of abandoned roadway

由圖3 模擬結果分析可知，當工作面與空巷之間的煤柱寬度逐漸減小時，空巷巷道圍巖變形范圍和頂底板變形量逐漸增大，當工作面與空巷之間的煤柱寬度在15 m 以下時，巷道圍巖塑性變形區域貫穿整個煤柱內。根據空巷巷道頂底板圍巖變形規律，當煤柱寬度小于10 m 后，巷道頂底板圍巖變形量急劇增大，由此可知，工作面與空巷間的煤柱寬度安全值為10 m，若不采取措施對空巷進行充填加固，在工作面回采至距空巷小于10 m 位置后，空巷巷道圍巖會產生嚴重破壞變形，影響工作面安全回采。因此，工作面必須在回采至距空巷大于10 m 位置時，采取充填加固措施，且充填體必須達到設計支護加固強度。

為確定充填空巷時充填體需達到的支護加固強度，模擬工作面距空巷間距5 m，充填體強度分別達到1～6 MPa 強度時的充填體變化情況。根據模擬結果，整理后得到圖4。分析可知，隨著充填體強度的逐漸增大，其整體的壓縮變形量及橫向變形量均呈現逐漸減小趨勢。當充填體從2 MPa 增加到4 MPa 時，其變形量明顯減??；當充填體強度從4 MPa 增加到6 MPa 時，其變形量變化趨勢明顯減緩。由此可知，在充填體強度達到4 MPa 時，即可對空巷起到有效支護加固作用，當繼續增大其強度后，對提高巷道支護加固強度效果不明顯，而且充填體強度過大，在工作面采煤機割煤時，增加了割煤難度，因此在對空巷進行充填時，充填體強度達到4 MPa 為最佳。

圖4 不同強度充填體變形曲線Fig.4 Deformation curves of filling bodies with different strength

3 空巷充填技術

3.1 充填材料選取

在選取空巷充填材料時不僅要考慮充填效果，還要考慮材料用量及成本因素。目前礦井常用的充填材料主要有樹脂化學材料、水泥砂漿及高水材料等，其中樹脂化學材料一般都會產生有毒有害氣體或物質，且成本較高，水泥砂漿在充填作業時凝固時間較長，存在結石率低、析水量達等缺點[3-4]，而高水材料使用過程中不會產生有毒氣體和物質，且其滲透性、流動性較好、無析水，凝固時間可以調節控制，價格低廉[5-6]。綜上，在對13031 工作面空巷進行充填加固時，選用高水材料效果較好。

在選用高水材料對空巷進行充填加固時，為保證充填體強度能夠達到4 MPa 以上，需提前確定高水材料漿液的水灰比。在實驗室進行水灰比配制時，采用三軸壓縮實驗對高水材料漿液分別在凝固2、24、7 d 后的強度進行測定，根據測定結果繪制出如圖5 所示曲線圖。

圖5 不同水灰比配比條件下充填體強度Fig.5 Strength of filling body under different water cement ratio

分析可知，漿液水灰比相同時，凝固時間越長，其形成的結石體強度就越高；在相同凝固時間內，水灰比越大，其形成的結石體強度就越低。根據實驗結果，在確定選取合理水灰比時，從漿液凝固后形成的結石體強度和材料成本等方面綜合考慮，可選擇水灰比為4∶1 時，凝結時間為24 h后，結石體強度能夠達到4 MPa 以上要求的高水材料。

3.2 空巷充填施工方案設計

根據13031 工作面現場實際開采條件，設計采用注漿泵配注漿管路的方法將漿液運送至13031 工作面空巷內進行充填作業。

參考已有的巷道空區充填工程技術實踐研究[7-8]，充填巷道空區的工藝方法主有充填袋式充填法、直接開放式充填法、混合式充填法和分段阻隔式充填法。結合13031 工作面空巷現場地質條件和實際情況，考慮到13031 工作面空巷內底板坡度不一致，巷道起伏不平，各段巷道內充填的漿液量大小不一致等情況，決定采用分段阻隔式充填法對空巷進行充填，即根據空巷內各段巷道的不同情況，從里向外分段建立阻隔墻注入漿液進行充填，該方法不僅操作簡單，而且不需要使用充填袋，成本較低，其充填工藝原理如圖6 所示。

圖6 分段阻隔式充填工藝Fig.6 Segmented barrier filling technology

為防止工作面過空巷時一次性揭露空巷導致暴露出頂板面積過大造成工作面液壓支架承載的載荷過大，影響工作面安全回采，在過空巷前提前對工作面進行調斜，使工作面切巷成偽傾斜布置。工作面調斜角度大小由揭露的空巷寬度與其巷道長度的比值確定的。

式中：α為工作面調斜角度，（°）；d為揭露的空巷巷道寬度，取4 m；L為空巷的長度，取130 m。

根據式（1） 計算為1.8°，從而確定工作面合適的調斜角度為2°。工作面調斜布置情況如圖7 所示。

圖7 工作面過空巷調斜布置示意Fig.7 Indication of inclined adjustment arrangement of working face crossing empty roadway

4 應用效果分析

13031 工作面空巷傾斜長為130 m，對工作面液壓支架工作阻力變化進行監測，結果顯示工作面過空巷期間，液壓支架的工作阻力均未超過其正?；夭蓵r的最大值，液壓支架的工作阻力與正?；夭蓵r的工作阻力變化無明顯差異，由此表明，空巷充填加固效果達到了設計要求。

在工作面過空巷回采期間，同時對工作面煤壁片幫情況進行了現場監測統計，具體情況見表2。由表2 可以看出，工作面在過空巷回采期間，煤壁發生片幫的深度最大為0.41 m，片幫總長度最長為6.2 m，與正?；夭善陂g煤壁發生片幫情況相差不大，由此表明，空巷采取充填措施后，對工作面頂板起到良好的支撐作用，降低了揭露空巷后形成的大面積圍巖應力對煤壁產生的破壞作用，達到了設計效果要求。

表2 13031 工作面煤壁片幫觀測統計情況Table 2 Statistics of coal wall spalling observation in Face No.13031

5 結 語

為保證13031 綜采工作面過空巷回采期間的安全，根據工作面地質條件和現場實際情況，利用FLSC3D 軟件進行數值模擬研究分析，結果表明，空巷若不提前采取充填加固措施，當工作面與空巷之間的煤柱寬度剩余15 m 以下時，巷道圍巖塑性變形區域貫穿整個煤柱內，當煤柱寬度小于10 m，巷道頂底板圍巖變形量急劇增大。因此，工作面過空巷前必須對空巷采取充填加固措施，確保工作面安全通過空巷。通過對比分析，選取高水材料作為充填材料，水灰比為4∶1，充填體強度達到4 MPa時，不僅能夠達到空巷加固要求，而且投入成本較低。經現場監測，對空巷進行充填加固后，工作面過空巷回采期間，液壓支架的工作阻力及煤墻片幫情況與正?；夭蓵r的情況無明顯差異，由此表明，充填方案達到了設計要求，工作面安全順利通過空巷。