超高水材料充填空巷研究与工业性试验

肖龙正，贾凯军，郭楠楠，戚 洋

超高水材料充填空巷研究与工业性试验

肖龙正，贾凯军，郭楠楠，戚 洋

(中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221008)

长期以来，工作面过空巷是煤矿开采中难以解决的问题。传统的空巷支护方式不能有效地对顶板和煤壁提供足够的阻力或阻止围岩破坏范围的扩大。本文在分析工作面空巷围岩活动规律和超高水材料性能的基础上，论证了超高水材料充填空巷的可行性，并确定了充填体的力学参数和充填工艺。现场试验证明，采用超高水材料充填空巷是一种安全、经济、高效的方法，较传统空巷支护方法具有较大的优势。

超高水材料;空巷;充填

回采工作面过空巷是煤矿开采中经常遇到但未能得到很好解决的技术问题。当工作面推进到空巷附近时，由于巷道原有支护强度难以承受超前支撑压力而导致巷道顶板垮落，甚至发生基本顶断裂，造成煤壁片帮严重，使工作面不能正常推进。以空巷为切眼重新布置工作面，增加了工作面搬家的工序，降低了煤炭采出率，故已很少采用。工程应用中多采用补强空巷支护、调整工作面与空巷夹角、减少每次割煤揭露空巷的长度，并辅之以相应的顶板管理方式等方法，而其中以加强空巷支护强度尤为重要。

传统的空巷支护方法存在支护效果不佳、劳动强度大、成本高、施工组织要求高等诸多问题。因此，本文提出了超高水材料充填空巷的方法。理论研究与王庄矿5216工作面超高水材料充填空巷的应用实践证明，超高水材料充填能够有效地解决上述传统支护方式存在的问题，其应用前景广阔。

1 工作面空巷支护方法

1.1 传统工作面空巷支护方法

木垛支护阻力小、压缩量大，在超前支承压力作用下，因过度压缩易导致顶板破碎和下沉，甚至垮落，而且稳定性差，极易在侧向力作用下倾倒失效，不能有效支护顶板。密集支柱或垛式支架能提供较大的支护阻力，但同木垛一样不能对两帮提供支护，极易引起大范围片帮，从而加剧冒顶，形成恶性循环。同时，工作面过空巷时木垛被切割或支柱被回收，而支架不能及时前移至煤壁，从而使控顶距增加，易导致大范围冒顶、片帮和压死支架的事故，存在严重的安全隐患。

锚杆和锚索加固空巷可在一定程度上维护空巷顶板和两帮的完整性，空巷顶板一般不会大面积垮落。但由于空巷围岩常常已处于塑性或破裂状态，加固后的围岩仍难以承受超前支承压力的作用，不能有效控制主要顶板的提前下沉和断裂。

此外上述支护方式均存在支护工作量大、成本高、施工组织要求高、巷道修复困难、支护及回柱作业安全性差等问题。

1.2 空巷高水速凝材料预充填

在空巷内充填高水速凝材料是近几年发展起来的一种新方法。实践证明：高水速凝材料充填体具有较高的抗压强度并呈现明显的塑性特征，在压力作用下可允许较大的塑性变形，强度衰减比较缓慢，并可维持较高的残余强度。因此，充填体可以避免在支承压力作用下突然破坏而片帮，相同强度要求条件下，较之脆性材料，可以取更小的安全系数，即可以降低强度要求。同时，该材料可以实现中低浓度料浆的水力输送，简化了工艺过程，减少了运行成本。

但是，由于高水材料水灰比在2.5∶1左右［1］，用作大范围充填时成本较高，限制了该技术的推广应用。

2 超高水材料充填空巷技术分析

2.1 超高水材料简介

超高水材料是一种新型充填材料，其原料来源丰富，生产工艺简单。材料由A、B两种骨料和AA、BB两种辅料组成。其中A料主要以铝土矿、石膏等独立高温烧制而成，B料由石膏、石灰混磨而成，AA料为复合超缓凝分散剂，BB料为复合速凝剂。各组分按A∶B∶AA∶BB为10∶10∶4∶1的质量比进行配比。使用时A和AA，B和BB分别配制成两种以水为主要成分、流动性极好、且持续30～40 h不凝固的单浆液A和B。单浆通过管路输送到充填区域混合后可快速水化并能在可控时间内(8～90 min)初凝，最终形成水灰比最高可达11∶1的固结体［2］。

生成的固结体由钙矾石、铝胶和游离水构成，具有亲水性，在水环境中不收缩不扩散，稳定性良好且体积应变小，在三向受力状态下有良好的不可压缩性。该材料唯一的不足就是抗风化及抗高温(400℃以上)性能较差，不适于在干燥、开放及高温环境中使用［3］。因此，在井下密闭、潮湿、低温的环境中，超高水材料是一种非常适用的充填材料。其固结体抗压强度可通过改变水体积或外加剂配方而进行调节，见图1。

图1 固结体三面受限时各龄期强度随时间变化曲线

2.2 充填体围岩作用机理

1)矿岩属于脆性介质，充填体对围岩或煤柱内部应力分布影响很小，所以充填体对阻止围岩或矿柱的破坏作用不大，但由于充填体能充满巷道，限制了围岩的移动空间，能够阻止破裂或疏松的围岩或煤柱破坏范围继续扩大。

2)充填体对围岩或煤柱的侧压作用可使其由二相受力状态转为三相受力状态，抗压强度增大;同时充填浆液渗流进入破碎的顶板和煤帮，并最终与之凝结成整体，阻止片帮加剧的同时，也增大了煤柱的抗压强度。

综上所述，超高水材料具有速凝、早强的特点，较高水灰比条件下形成的固结体能提供一定强度并有效支撑顶板和两帮，高水灰比管路输送降低了充填成本、简化了工艺过程，为工作面空巷支护提供了新的解决途径。

3 王庄矿综放工作面过空巷方法

3.1 工程概况

5216工作面标高605～656 m，地面标高1 002～1 011 m，煤层厚度稳定，平均为6.80 m，含少量夹矸。该面整体上为一单斜构造，煤层倾角为2°～10°。工作面共揭露4条断层，5216探巷斜穿工作面中部(见图2)。直接顶为4.5 m均质泥岩或泥质砂岩，基本顶为6.7 m致密块状砂岩或砂质泥岩，直接底为2.6 m致密泥岩，老底为4.4 m中砂岩。工作面采用倾向长壁、后退式综合机械化低位放顶煤采煤法，全部垮落法处理采空区。底分层采高3.0±0.1 m，循环进度0.8 m，顶煤平均高度3.80 m，直接顶初次垮落步距为10～14 m，老顶初次跨落步距为30～40 m，周期来压步距为9～12 m。

图2 5216工作面平面图

空巷为5216探巷，沿煤层底板布置，斜穿工作面中部，两端与5216运巷和5216风巷斜交，断面为3.2 m×3.5 m。巷道采用锚网支护，由于成巷时间较长，且受周边采动影响，巷道至风巷口向里213 m(F167断层下)到距运巷口30 m处破坏严重，片帮深度20～100 cm，兜网显现普遍，高冒区部分区段冒落煤块堆积高度直至顶板，同时还存有一定量的积水，施工环境危险，无法进行作业。空巷正常段补打锚索、架设木垛，并在巷道两端开口处注浆加固。空巷(5216探巷)概况见图3。

图3 5216工作面空巷(5216探巷)示意图

3.2 充填体支撑强度确定

工作面过空巷过程中，随着工作面的推进，工作面与空巷间的煤柱宽度逐渐减小并在超前支撑压力作用下破碎、失稳，基本顶空顶长度逐渐增大，极易在空巷上方断裂［4－5］。空巷上方顶板破断特征见图4。

图4 空巷上方基本顶破断特征示意图

因此，充填体应能平衡直接顶的重量和基本顶(图2)回转下沉形成的挤压变形压力。同时还要对空巷两帮提供有效支护，防止煤体片帮。

5216工作面空巷与工作面夹角较大(见图2，图3)，工作面推进至空巷时，同时揭露的空巷断面较小，空巷最远端尚距工作面约140 m，而周期来压步距为9～12 m，因此，空巷在工作面通过过程中，依次逐段经历采场矿压作用。而充填体在此期间承受的压力峰值为工作面超前支撑压力和通过时的采场最大压力。

由上述分析，按支护受力与煤层厚度近似直线关系增长的观点，得出充填体支护强度公式为：

式中：

P—充填体强度;

N—取8(载荷取8倍采高岩重计算);

h —空巷高度，m，取3.2;

γ—顶板岩石的平均密度，kg/m3，取2 500;

K—动压系数，参照同煤层来压期间与正常回采期间顶板对巷道的压力比值，巷道两帮为实煤体时一般为1.1 ～1.2，取1.2。

故：P≥753 kN/m2。

考虑充填制浆质量、断层影响、成本控制以及1.5倍的安全系数，最终确定充填浆液水灰比为6∶1，相应的水体积比为94.7%，终凝强度2.2 MPa，7 h抗压强度约为 1.3 MPa。

3.3 空巷充填工艺

3.3.1 泵站及充填管路布置

为节约成本，选用王庄矿现有流量为60 L/min的双液柱塞泵充填能力(单吸浆管流量为30 L/min)。泵站配置4个容积为1.2 m3的搅拌桶 ，分别用于A、B两种浆液的制取和搅拌。每次称量出A料20 kg、B 料 20 kg、AA 料 2 kg、BB 料 0.8 kg、A 水128 kg、B水128 kg，水线高度用油漆在搅拌桶中标出。

由充填泵站敷设2趟d25 mm的高压胶管分别输送A、B浆液，单浆液输送20 m后，经三通混合，并经管路输送至充填区域。为保证A、B浆液混合均匀，混合管长度不应小于50 m，且为保证充填质量，预先敷设混合管时应将其出浆口安设在冒顶区最高处，并敷设一趟排气管，以确保充满包括冒顶区在内的整个巷道空间。充填工艺系统见图5。

3.3.2 构筑止浆墙

为将空巷充填密实，防止充填浆液外漏，同时承载浆液压力，需在空巷两端各砌筑一道止浆墙。止浆墙用加气混凝土块砌筑，两侧应深入煤帮约400 mm的稳定处，并用水泥混凝土密封严实。

图5 超高水材料充填系统示意图

止浆墙的砌筑高度可根据充填进度进行调整。初始充填时可先砌筑一半巷道高度的止浆墙，随着充填的进行再逐渐加高，以便观察巷内充填情况，出现问题及时处理。

3.3.3 充填过程相关注意事项

1)空巷存有约100 m3的积水，为不影响充填效果，先将这部分积水抽出。

2)每次制浆按照比例量取材料和水，保证单浆均匀搅拌5 min以上，并注意观测A、B两单浆吸浆速度，若不一致，应即时停泵检查，确保制浆质量。

3)为避免浆液堵塞泥浆泵和管路，每次充填前和结束后都要用清水试泵和洗管，待出浆口有清水流出时停止。

4)为提高效率，A、B应各有2个搅拌桶进行制浆，尽量保证泵站不间断制浆。

5)4种材料应分开放置，且材料堆放平台下应铺垫木板、石块等，使平台与巷道积水保持一定的距离。同时，为防止顶板淋水，堆料平台上要铺设防水塑料布。

4 充填效果分析

1)空巷充填段长度80 m，待充填空间为896 m3，共计使用超高水材料150 t。与用高水材料充填空巷相比，材料用量节约近3/5。

2)现场显示充填体在20～50 min内凝固，7 h后便达到一定强度。充填浆液渗流进煤体裂隙中，固结体与煤壁及片帮破碎煤体粘结良好。

3)充填工艺简便，工人劳动强度低，作业环境安全。

4)充填材料反应会产生一定热量，在空巷内显现较明显，但不会造成热害。

5)当工作面通过空巷时，充填体由采煤机直接切割，此时应对工作面支架阻力、顶板冒落、煤壁片帮、充填体变形等情况进行观测，以便进一步验证试验效果。

5 结论

王庄矿5216工作面空巷充填试验，显示出超高水材料在水灰比较大、材料用量相对较少的条件下具有速凝、早强的特点，凝固后的充填体能达到一定强度，同时加固了空巷两帮破裂煤体，有效维持了空巷围岩的稳定性。

超高水材料充填工艺简单、工人劳动强度低、作业环境安全，较传统的空巷支护方法和高水速凝材料充填具有明显的技术和成本优势。试验解决了工作面高冒空巷支护的技术难题，为工作面过空巷技术提供了新的解决途径。

［1］ 黄汉富.高冒空巷充填技术研究［J］.矿山压力与顶板管理，2005(2)：59－60.

［2］ 冯光明.超高水充填材料及其充填开采技术研究与应用［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2009：45－57.

［3］ 冯光明，丁 玉，朱红菊，等.矿用超高水充填材料及其结构的实验研究［J］.中国矿业大学学报，2010，39(6)：813－819.

［4］ 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003：99－108.

［5］ 柏建彪，侯朝炯.空巷顶板稳定性原理及支护技术研究［J］.煤炭学报，2005，30(1)：8－11.

Research and Practice on Superhigh－water Material Filling to Abandoned Roadway

Xiao Long－zheng，Jia Kai－jun，Guo Nan－nan，Qi Yang

It is always a difficulty for the working face passes through the abandoned raodway.The traditional methods can not consolidate the crushed coals in both sides of the abandoned workings or to maintain the rock stability of the abandoned workings successfully.The success of goaf filling methods with superhigh － water material offers a new choice for the supporting of abandoned workings.In this paper，based on the analysis for the law of surrounding rock of the abandoned roadway in the front of the working face and the superhigh－water material，the mechanical parameters of backfilling mass and the filling system was defined.Successful practice shows the application of such backfill material to abandoned roadway is a better solution than others to support abandoned roadway safely，economically and quickly.

Superhigh－water material;Abandoned roadway;Backfill

TD353

A

1672－0652(2012)01－0021－04

2011－11－29

肖龙正(1985—)，男，山东兖州人，2010级中国矿业大学在读硕士研究生，主要从事充填开采及沿空留巷等采矿工程方面的研究，(E －mail)xlz759@126.com