高水材料巷旁充填沿空留巷技术应用研究

赵昕楠

（1.煤炭科学技术研究院有限公司 矿用油品分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013）

0 引 言

煤矿沿空留巷技术通过各个科研单位的不断研究和各矿区试验的不断改进下，已取得一定的成熟经验，目前在各大矿区均有推广应用[1-2]。该技术主要难点在于结合矿井实际选取合适的支护方式和巷旁充填隔离技术，以及受采动影响对保留巷道的破坏及维护成本评估以确定其经济效益。因此，以常村煤矿沿空留巷用高水材料进行巷旁充填技术应用为例，根据矿井实际情况选取合适的留巷加固方案和巷旁充填方案，研究充填效果为同类地质条件矿井沿空留巷支护技术提供参考。

1 概 况

常村煤矿开采的15 号煤层平均厚度1.5 m，煤层硬度系数f=1.5，直接定（老顶） 为石灰岩，平均厚度8.7 m，硬度系数f=7.6，煤层底板为泥岩与砂质泥岩互层，平均厚度4.5 m，硬度系数f=3.4。采用沿空留巷的25031 工作面设计长度1 480 m，已采700 m，沿空留巷为25031 运输巷，留作25051 工作面回风巷，该巷沿煤层顶板掘进，支护形式为锚网索支护，巷宽3.7 m，高2.6 m。

2 沿空留巷整体技术

沿空留巷是指工作面回采期间通过沿采空区保留巷道，将其继续作为相邻工作面回采巷道的一项矿山开采技术。常村煤矿沿空留巷为25031运输巷，留作25051 工作面回风巷，根据25031工作面老顶来压规律观察，老顶周期来压步距20 m，受采动影响对回采工作面前、后各100 m 范围为应力集中影响区，为确保留巷成功，防止应力集中对留巷造成破坏，需提前对所留巷道在回采工作面前后100 m 范围内采取补强支护及加固措施，巷旁充填需在距回采工作面后方20 m 以外。补强支护方式为对巷道加密锚杆支护及采用单体液压支柱配合π 型钢加固，巷旁充填方式为采用高水材料进行充填。沿空留巷及巷旁充填如图1 所示。

图1 沿空留巷平面示意Fig.1 Gob-side entry

3 巷道补强支护及加固方案

常村煤矿25031 工作面运输巷补强支护方案为，在原锚网支护基础上，对巷道实煤帮每两排锚杆间补打1 排锚杆，锚杆间距1 m，锚杆采用φ22 mm×2 400 mm 左旋无纵筋螺纹钢树脂锚杆，采用1支K2350 和1 支Z2350 树脂锚固端头剂锚固，锚杆托盘采用φ150 mm×10 mm 蝶形托盘，锚杆螺母预紧力距不得低于260 N·m，锚杆配合φ12 号圆钢加工的钢筋梯子梁支护。补强支护如图2 所示。

图2 巷道补强支护示意Fig.2 Roadway reinforcement

25031 工作面运输巷加固方案为，在回采工作面前后100 m 范围内采用单体液压支柱配合π 型钢加固，单体液压支柱间排距为1 000 mm×1 000 mm，每排采用4 根单体液压支柱，每排单体液压支柱顶部为3.2 m 的π 型钢梁。加固方案如图3所示。

图3 巷道加固示意Fig.3 Roadway reinforcement

4 巷旁高水材料充填方案与工艺

4.1 高水材料特性及配比方案

高水材料具有耐高温、不可燃、早期强度高、增阻速度快等特点，是一种无污染的环保达标产品，高水材料不同的水灰配比能够产生不同强度的凝结体，且凝结时间也不同，可以通过配比实现对强度和凝结时间的控制，以满足不同充填工程的需要，例如水灰比2∶1 可以用于沿空留巷、注浆加固、构筑密闭墙等，水灰比6∶1 可以用于充填开采，水灰比8∶1～10∶1 的可以用于充填防灭火等[3-4]。根据高水材料不同配比的适用特性，结合常村煤矿沿空留巷巷旁充填需要以及工作面地质情况和推进进度综合考虑，选取水灰比2∶1 为高水材料巷旁充填配比比例。

4.2 巷旁充填方案

根据常村煤矿25031 工作面运输巷实际地质情况及围岩力学性质，结合巷道规格、老顶周期来压、回采工作面推进进度等数据，计算巷旁充填体宽度为1 m，班充填进度为3.2 m。因充填体受25031 采空区应力集中影响及后期25051 工作面推进应力集中影响（二次采动应力集中影响），为保证充填体的承载能力以及抗横向变形能力，防止二次采动影响造成充填体压裂、破坏，决定在充填体两侧采用φ22 mm 螺纹钢、φ12 mm 的圆钢及钢筋网加工制成的金属骨架，并使用对拉钢筋固定两侧骨架，以提高充填体的整体承载能力和抗横向变形能力。充填体加固金属骨架如图4 所示。

高水材料分为甲料和乙料，两种原料单独加水搅拌及单独运输过程中均不凝固，通过双料充填泵对两种经过加水配比后的原料输送至充填位置的充填箱内（提前安设金属骨架） 进行混合，即可实现快速凝固，短时间能形成承载能力强的充填体[5]。

图4 充填体加固金属骨架Fig.4 Reinforcement of metal skeleton with backfill

4.3 高水材料充填工艺

（1） 材料的准备和存放。充填前要根据当班充填量准备充足的甲、乙两种原料，两种原料要分开放置，配比用水要保证清洁及取用便利，充填泵要保证清洁及运转正常，输送管路要保证通畅不漏，搅拌桶要有两用两备用，金属骨架要提前加工好放置在现场。

（2） 充填位置的充填前准备。首先清理充填点的浮煤杂物，检查充填点支护情况，锚网支护体完好情况下将充填位置的单体液压支柱拆除，然后将两侧的金属骨架按充填位置及充填宽度放置到位，并使用对拉钢筋将两侧的金属骨架固定，最后在金属骨架内放入充填袋。

（3） 搅拌及充填。将甲料、乙料分别倒入不同的搅拌桶中，并按照水灰比2∶1 加水搅拌均匀，然后分别倒入双料充填泵内，经过充填泵加压经管路输送充填点的充填袋内混合，充填至充填袋与顶、底板密切接触并充实后停止充液，并将充填袋袋口扎紧，防止漏液。高水材料充填工艺流程如图5 所示。

图5 高水材料充填工艺流程示意Fig.5 High water material filling process

5 经济效益分析

常村煤矿未采用沿空留巷以前，采取留2 m 小煤柱另掘相邻工作面的回采巷道，影响采区煤炭回采率，因平均煤厚1.5 m，巷道为半煤岩巷，掘进进度慢，导致采掘接替紧张。采用沿空留巷后，经综合计算，在用工方面，沿空留巷前期留巷工程加上后期维护投入的人工与掘进巷道需投入人工持平，但沿空留巷补强支护材料以及充填材料仅占掘进支护材料的一半，每米巷道可支护节约1 500 余元，沿空留巷实现了无煤柱开采，提高了采区煤炭回采率，每米巷道可多采4.2 t 原煤，价值3 360元，共计每米巷道可节约4 860 元，25031 工作面沿空留巷留出一条巷道（工程量1 480 m） 即可节约719.28 万元，给企业带来直接经济效益，另因沿空留巷减少巷道掘进工程量，有效缓解甚至避免采掘接替紧张局面，为矿井高效生产提供了保障。

6 结 语

常村煤矿通过巷道补强支护、超前加固及高水材料巷旁充填技术方案进行沿空留巷，实现无煤柱开采，解决了该矿薄煤层半煤岩巷掘进进度慢、成本高、采掘接替紧张等问题，并为矿井取得了可观的经济效益，为矿井后期的沿空留巷奠定了经验基础，为矿井高效生产提供了保障。