墩柱充填在过空巷中的研究与应用

李树伟

（山西兴县华润联盛车家庄煤业有限公司，山西 吕梁 033600）

车家庄煤矿老巷空巷错综复杂，采煤面的安全管理难度与日俱增。13302采煤面回采时，需要过空巷，巷道围岩的压力大，对巷道支护极为不利[1-2]，稍微管理不慎，就对采煤面的安全回采造成难以控制的局面。运用高水材料对空巷进行充填的案例较多，也比较成功[3-4]，就是成本相对较高。

1 工程概况

车家庄煤矿13302采面在-750 m水平的西一采区，采煤面为-539～ -613 m，走向长275 m，倾向长158 m，采高均值2.3 m，倾角16.2°。北、西两面均为老空区，南为13301材料道老硐。13303采煤面是13302采煤面的接续工作面，两个工作面有一定的重叠区域，13303采煤面回采时需要经过13302采煤面的材料联络巷（二）和13302采煤面材料道，如图1所示。此时就存在上面所提的各种难题，需要很好地控制住空巷的顶板，尤其是13302材料道的顶板，以防漏顶空顶等不利现象发生。13302采煤面的材料联络巷（二）和13302采煤面材料道是为13302采煤面回采服务的，巷道在13303采煤面推采前仍在正常使用，13303采煤面的超前应力影响前，需要对其进行加强支护。若采用锚网索进行常规的加强支护，材料成本和人工成本均较高，效果还不一定。若采用液压单体进行加强支护，顶板在一定程度反而存在点柱式支护的破坏，尤其当单体没有行程后必定对顶底板进行插入式破坏，单体的回收也是一个难题。

图1 13302采煤面过空巷示意图

2 充填方案

2.1 材料简介

高水材料分X料、Y料，将X料、Y料分别加水制浆泵送至充填点混合，X、Y料浆均独自搅拌、泵送稳定性良好，混匀后可以极速凝固。高水材料实验室的抗压强度与应变强度关系如图2所示。由图2可以看出，胶结体在低水灰比下具有很强的抗压能力，可以很好地支护顶板。支护顶板基本顶的同时，当顶板压力过大时，胶结体可以发生较明显的塑性变形。当变形达到10%时，胶结体仍然具有较高的抗压强度；当胶结体塑性变形接近20%时，强度可以到达6 MPa以上，这个强度的充填体，采煤机可以轻松地割过去。

图2 高水材料性能关系图

2.2 墩柱充填

墩柱充填定性分析可以解决采煤面过空巷的问题，为了确保安全快速地进行推采，需要定量设定墩柱充填的大小、布置方式。13303采煤工作面推采过程中需要斜交13302采煤面的材料道，在一定程度上，类比13302采煤面两道的超前支护强度即可满足13303采煤面的超前应力影响，若采用原来相似条件下的过空巷经验，使用液压单体配合铰接顶梁对老巷进行支护时，即采用相当强度进行支护即可。13302工作面两道的超前支护如图3所示。原锚网索联合支护的强度两种是一致的，唯一的区别是加了直径100 mm的液压单体加一字铰接顶梁进行了加强支护，从支护剖面图上可以看出，加打了3排液压单体，排距为1200 mm。

图3 13302工作面超前支护剖面图（mm）

13302材料道的宽度为4.2 m，液压单体的安全阀卸压强度为40 MPa，此时的工作强度为3.14×0.05 m×0.05 m×3×30 MPa/（4.2×1.2），即此时的支护强度为0.19 MPa/m2。

墩柱支护没有整个空巷完全充填的效果好，但是出于经济与安全的双重考虑，墩柱充填用料少，人工少，经济效益良好。采用直径为1.0 m的墩柱，墩柱与墩柱中心点间隔3.0 m的梅花布置，如图4所示。按照应变达到20%时的强度进行验算，此时的充填胶结体强度为4.0 MPa，此时的支护强度为3.14×0.5×0.5×2×4/（4.2×3.0），即此时的支护强度达到0.50 MPa/m2。这样的支护强度达到了原先使用液压单体支护的2.63倍。因为是初次使用墩柱支护，安全系数保守一些设计。由此可以得出，在不考虑其他影响因素时，老巷区域的墩柱支护强度大于液压单体加铰接顶梁的支护强度，即墩柱支护强度能够满足生产需求。

图4 墩柱布置示意图（mm）

2.3 工业应用

13302材料道采用墩柱进行充填，充填水灰比选用1.5:1，墩柱直径1000 mm，墩柱与墩柱中心点间隔3.0 m的梅花布置，即1400 mm×3000 mm的梅花布置。墩柱充填前，需要提前立模，施工前，清理充填区浮煤、煤矸石，预留立模空间，然后根据墩柱尺寸严格设置钢筋网模板，确保连接紧密可靠，充填袋整齐悬挂，用铁丝固定可靠，再用液压柱背好木板，之后即可进行制浆泵送充填。充填时及时观察充填袋的情况，发现问题及时处理。24 h后，充填胶结体强度上来后，即可拆除液压单体支柱及背板，支柱及背板可以循环使用。逐步对整条老空巷进行充填。

2.4 效果对比

13302采煤面类似条件下过13301材料道联络巷时，角度基本一致，采用的是液压单体加一字铰接顶梁支护空巷，过空巷期间，每天平均采煤3刀50架。采用墩柱充填后，过空巷的回采进度达到了每天6刀75架，生产效率得到了大幅提高，人员的劳动强度也得到了大幅降低。原先单体的损坏率极高，这一单项的费用已经超过了高水充填的费用。

3 结论

通过对车家庄煤矿墩柱充填过空巷中的研究与应用，得到了以下结论：

（1）墩柱充填胶结体在过空巷过程中，既可很好地支护顶板，亦可较好的对顶板进行让压。该充填胶结体的大变形塑性力学性能可以很好地运用在采煤面过空巷工程中。

（2）墩柱充填可以实现采煤面过空巷的安全回采和快速回采，经济效益与安全效益良好，对相似工程条件的采煤面推采具有一定的借鉴。