8418 綜采工作面過空巷充填工藝研究

張 宇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦，山西 大同 037001）

1 概況

云崗礦開采的煤層主要有3#、11#和14#三個(gè)煤層，3#煤層厚度約為6.8 m，8418 工作面為3#煤層開采作業(yè)區(qū)。煤層基本頂為深灰色石灰?guī)r，厚度為11.6～14.5 m；直接頂為黑色泥巖，厚度1.5 m 左右；直接底為黑色泥巖，厚度為4.6 m 左右；基本底為灰褐色細(xì)砂巖，厚度4.8 m 左右。8418 工作面長(zhǎng)度為225 m，最大傾斜角度為6°，采用機(jī)械化大采高一次采全高工藝。8418 工作面需要穿過部分皮帶巷和軌道巷，過空巷會(huì)對(duì)工作面產(chǎn)生影響，進(jìn)行空巷充填降低空巷不穩(wěn)定性具有實(shí)際意義。

2 空巷充填工藝

綜采工作面過巷充填工藝指的是在回采工作面過空巷過程中，將滿足流動(dòng)性且凝固后能起到巷道支撐作用的充填材料采用一定的工藝方法充填到空巷中進(jìn)行膠結(jié)[1]，維持巷道基本頂穩(wěn)定，且膠結(jié)后的充填體要具有傳遞支架支護(hù)阻力的效果，進(jìn)而通過支架支護(hù)進(jìn)一步保持充填體兩幫和頂?shù)酌娴耐暾？障锍涮罟に噷?shí)施的關(guān)鍵是充填材料的選擇、充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及工藝實(shí)施方案的確定[2]。

（1）充填材料選擇

高水材料能夠作為充填材料的主要特性為[3]：在高水灰比下高水材料的凝結(jié)速度快，且凝結(jié)后硬度高，具有良好的充填支護(hù)效果。根據(jù)空巷地質(zhì)特點(diǎn)，選用水灰比2.4:1，高水材料凝結(jié)后會(huì)生成大量鈣礬石，其結(jié)晶水容積高達(dá)81.16%[4]，這是高水材料優(yōu)于一般充填材料的特性。對(duì)水灰比為2.4:1的高水材料凝結(jié)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，凝結(jié)24 h 后進(jìn)行抗壓能力檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)具有不低于3.5 MPa 的三軸抗壓強(qiáng)度，凝結(jié)72 h 后，三軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到4.2 MPa，且當(dāng)應(yīng)變達(dá)到12%時(shí)，其殘余抗壓強(qiáng)度仍能達(dá)到其峰值的60%以上，該性能的高水材料能夠滿足工作面過空巷的充填需求。

（2）充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高水材料分為甲料和乙料兩部分，使用時(shí)對(duì)甲乙料分別加水后通過管道輸送到充填區(qū)域并混合，甲乙料混合比選擇1:1，甲乙料都具有水溶性，在輸送過程中不會(huì)出現(xiàn)凝固，只有在混合后經(jīng)過一定時(shí)間才會(huì)凝固。充填系統(tǒng)示意圖如圖1，圖中1#攪拌桶和2#攪拌桶對(duì)甲料進(jìn)行兩次加水?dāng)嚢瑁?#和4#攪拌桶對(duì)乙料進(jìn)行同樣工藝作業(yè)，注漿泵通過兩路吸漿管路將甲乙漿液進(jìn)行加壓輸送，出漿管將漿液輸送到混料器中進(jìn)行混合，然后通過短距離輸送管道將高水材料輸送到特定充填區(qū)域。

圖1 充填系統(tǒng)示意圖

通過卸料機(jī)將甲料和乙料加入到攪拌桶中，開啟注水泵注水?dāng)嚢瑁?#、2#攪拌桶和3#、4#攪拌桶互為交替進(jìn)行注水?dāng)嚢韬妥{作業(yè)。8418 工作面過空巷充填高水材料注水管輸水壓力不低于0.5 MPa，注水能力不低于15 m3/h，注漿泵采用660 V工作電壓。在高水材料注水過程中，施工人員進(jìn)行支設(shè)臨時(shí)半密閉作業(yè)，密閉完成后注漿泵啟動(dòng)，觀察出料口甲料和乙料混合情況，待出料混合均勻后將注漿管插入空巷中進(jìn)行充填作業(yè)。8418 工作面高水材料充填系統(tǒng)主要設(shè)備見表1。

表1 8418 工作面充填設(shè)備明細(xì)表

（3）工藝實(shí)施方案

充填體本質(zhì)作用是對(duì)過空巷進(jìn)行支護(hù)，保證巷道頂板不出現(xiàn)冒頂，因此在回采工作面超前支承壓力作用下，充填工藝實(shí)施需要重點(diǎn)考慮以下特點(diǎn)：充填體漿液在充填階段流動(dòng)性要好，能夠在充填壓力作用下充滿整個(gè)空間；充填體漿液在凝結(jié)階段要具有凝結(jié)速度快、凝結(jié)強(qiáng)度高特點(diǎn)，且需具有良好的塑性變形，能夠支護(hù)巷道頂板承受超前支承壓力，保持巷道圍巖穩(wěn)定。皮帶巷老巷長(zhǎng)度為225 m，充填作業(yè)將巷道劃分為多個(gè)充填區(qū)域，每個(gè)區(qū)域長(zhǎng)度為8 m，如圖2。

圖2 注漿分段區(qū)域劃分示意圖（m）

為了保證每個(gè)充填區(qū)域的充填漿液能夠充滿，在充填作業(yè)前對(duì)區(qū)段前后進(jìn)行止?jié){墻設(shè)置，采用木立柱上釘16 mm 木板，并內(nèi)側(cè)襯一層風(fēng)筒布的結(jié)構(gòu)構(gòu)建，兩側(cè)插入巷道兩幫300 mm，頂部和底部插入200 mm。為防止注漿管路堵塞影響充填注漿作業(yè)，在分段區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)兩路管路，一路進(jìn)行注漿作業(yè)時(shí)，另外一路可以作為排氣管道使用，防止密封區(qū)域內(nèi)壓力升高，增加注漿泵負(fù)荷，注漿管路鋪設(shè)在巷道頂部，鋪設(shè)圖如圖3。在止?jié){墻離巷道頂部100 mm處開設(shè)充填高度觀察孔，充填作業(yè)至漿液從觀察孔流出后，使用棉紗將孔堵住，繼續(xù)充填12 min，注漿泵上壓力顯示為1.2 MPa 后停止注漿，采用局部通風(fēng)機(jī)對(duì)充填區(qū)段進(jìn)行通風(fēng)，待充填體凝結(jié)后循環(huán)第二區(qū)域充填作業(yè)。

圖3 充填注漿管路鋪設(shè)示意圖

3 空巷充填后圍巖礦壓監(jiān)測(cè)分析

（1）礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)備

設(shè)置支架測(cè)站進(jìn)行8418 工作面支架壓力變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)工作面的上、中、下各設(shè)置一條監(jiān)測(cè)線，均勻布置YHY-604 型支架測(cè)力儀和本安型數(shù)字壓力計(jì)，監(jiān)測(cè)并記錄工作面巷道各監(jiān)測(cè)斷面壓力數(shù)據(jù)。礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)備見表2。

表2 礦壓監(jiān)測(cè)主要設(shè)備

（2）礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

由于監(jiān)測(cè)設(shè)備在工作面揭露空巷和繼續(xù)推進(jìn)進(jìn)入空巷的整個(gè)過程中，監(jiān)測(cè)到的壓力數(shù)據(jù)不一樣，相較而言在未充填空巷處支護(hù)的支架支承壓力比充填區(qū)域處支架支承壓力大，為了便于統(tǒng)計(jì)，在數(shù)據(jù)處理階段將布置在未充填區(qū)域的支架監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了均值處理，按照距離工作面不同距離的支架壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制如圖4。

圖4 距離工作面不同距離支架壓力曲線圖

通過圖4 可以看出，8418 工作面距離空巷50 m 左右處，支架支承壓力開始受到空巷局部充填的影響出現(xiàn)變化，但變化趨勢(shì)穩(wěn)定，壓力增加不大，該狀態(tài)持續(xù)至距離空巷20～50 m 范圍內(nèi)；當(dāng)工作面距離空巷小于20 m 時(shí)，支架支護(hù)阻力急速增加，從穩(wěn)定的29.6 MPa 增大到30.5 MPa，且最大支護(hù)阻力出現(xiàn)在工作面到空巷處，但該支架支護(hù)阻力仍小于ZY1300-35/68D 型支架安全閥的開啟壓力，即雖受到空巷影響，但支架支護(hù)效果明顯。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)工作面越過空巷后，支架支護(hù)阻力迅速恢復(fù)到低值。

對(duì)充填體的穩(wěn)定性進(jìn)行觀察，當(dāng)工作面推進(jìn)到離充填空巷距離較近時(shí)，高水材料凝結(jié)后的充填體能夠有效保持巷道兩幫和頂部圍巖的穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)任何片幫現(xiàn)象；當(dāng)工作面推進(jìn)到充填空巷處時(shí)，充填體能夠被采煤機(jī)穩(wěn)定切割，并沒有出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，且支架前方巷道頂板也沒有冒頂。對(duì)比工作面快揭露空巷時(shí)和已經(jīng)揭露空巷時(shí)充填體的外觀，可以看出充填體表現(xiàn)出了良好的塑性變形特點(diǎn)和讓壓性能。

4 結(jié)語

結(jié)合8418 工作面地質(zhì)條件，在綜采過程中對(duì)過空巷段采用高水材料充填工藝，保證了作業(yè)安全，形成以下結(jié)論：

（1）采用高水材料作為空巷充填材料，結(jié)合8418 綜采工作面過空巷地質(zhì)特點(diǎn)，選用水灰比2.4:1比例，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該比例的高水材料在24 h 凝結(jié)后的三軸抗壓強(qiáng)度不低于3.5 MPa，特性滿足空巷充填需求。

（2）充填作業(yè)將工作面過空巷劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域長(zhǎng)度8 m，每個(gè)充填區(qū)域前后設(shè)置止?jié){墻，進(jìn)行支設(shè)臨時(shí)半密閉，注漿泵上壓力顯示為1.2 MPa 后完成注漿。

（3）對(duì)ZY1300-35/68D 型支架支護(hù)阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，8418 工作面距離空巷50 m 左右處，支架出現(xiàn)變化，在距離空巷小于20 m 時(shí)，支護(hù)支架的支護(hù)阻力從29.6 MPa 增大到30.5 MPa，小于支架安全閥的開啟壓力。

（4）在工作面揭露空巷時(shí)對(duì)充填體進(jìn)行觀察，充填體具有良好的塑性變形特點(diǎn)和讓壓性能。