牛澤斌

（山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 長(zhǎng)治 046605）

1 工程概況

晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)5313 工作面，主采煤層為3#煤層，煤層平均厚度為3.6 m，為穩(wěn)定可采煤層。工作面內(nèi)可能存在隱伏性陷落柱、小斷層，節(jié)理、裂隙發(fā)育，煤層產(chǎn)狀急劇變化，煤層變薄等地質(zhì)異?，F(xiàn)象。正因?yàn)槿绱耍?313 工作面回采過程中下端頭剩余大量的三角煤，整個(gè)工作面的煤炭資源損失量約達(dá)15 萬(wàn)t。

為了增加煤炭資源的回收率，減緩工作面采掘接替緊張的實(shí)際問題[1-2]，該礦井在工作面下順槽實(shí)施超前開挖巷道底板回收底煤，減小采煤機(jī)回采過程中需要變坡的角度，從而降低端頭三角煤損失量。因此，礦方考慮在頂部采用高水材料充填工藝[3-5]，即在充填體下方打上單體柱作為支撐，從而順利使工作面在端頭處落底，進(jìn)而充分回收煤炭資源。本文對(duì)巷道頂部袋式充填工藝進(jìn)行了研究，并在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用。

2 回采巷道頂部充填工藝及優(yōu)化

2.1 袋式充填材料性能

由于順槽巷道頂板充填體積約5400 m3，材料消耗大，充填部分對(duì)材料強(qiáng)度要求高，需要全面考慮成本、施工可行性、強(qiáng)度等因素，材料的性能要求如下。

（1）盡量提高水灰比減小材料用量，并且能夠在保證充填體較好的受力特性的同時(shí)，最大程度的降低材料使用成本。

（2）充填體強(qiáng)度應(yīng)大于1.4 MPa。巷道位置在煤層頂板，工作面向前推進(jìn)過程中需要用單體支柱托住充填體，如果強(qiáng)度過低，容易造成單體支柱壓碎充填體，影響護(hù)頂效果。

（3）混合漿有一定流動(dòng)時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施分段充填，混合輸漿管路長(zhǎng)度不小于60 m，確保漿液混合均勻，因此混合漿需要有20 min 左右流動(dòng)性。

（4）混合漿凝固快，強(qiáng)度增長(zhǎng)快?；旌蠞{在20 min 后快速初凝，凝固之后強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)快速增長(zhǎng)，7 d 內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

因此，根據(jù)充填材料的性能需求，決定采用雙液高水充填材料，材料的性能見表1。

表1 不同水灰比材料性能參數(shù)

根據(jù)上述材料的性能需求，選擇充填材料水灰比為3.5:1 最為適宜。

2.2 頂部袋式充填系統(tǒng)

充填系統(tǒng)如圖1。將兩個(gè)定量水箱懸掛于巷道頂板或兩幫，保證定量水箱排水口高于攪拌桶。通過改進(jìn)高速渦流制漿充填系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了定量加水、攪拌和泵送一體化功能，減少了設(shè)備數(shù)量，簡(jiǎn)化了操作步驟。

圖1 充填系統(tǒng)示意圖

兩臺(tái)高速制漿機(jī)分兩側(cè)布置，出漿口朝向待充巷道。從高速制漿機(jī)排漿口接輸漿管路（Φ65 消防水管），長(zhǎng)度8 m，接入混合三通，從三通出口連接混合管路至充填點(diǎn)與橡膠管連通，混合管長(zhǎng)度不少于30 m。

2.3 施工工藝優(yōu)化分析

回采巷道頂板袋式充填技術(shù)在5313 工作面下順槽巷道實(shí)施，如圖2，距巷道底板3.5 m 處搭設(shè)充填體支撐平臺(tái)，支撐平臺(tái)由單體支柱、木板、鋼絲網(wǎng)、π 型梁、圓木、鋼管等組成。

原計(jì)劃施工設(shè)計(jì)中，未考慮充填體平臺(tái)搭建后工人施工問題和充填漿液膨脹后膜袋的穩(wěn)固問題，因此前三次施工均失敗。在總結(jié)三次施工經(jīng)驗(yàn)后，在第四次施工時(shí)對(duì)充填工藝做了以下改進(jìn)：（1）增大充填袋寬度和高度，將鋼絲網(wǎng)連接處鐵絲露頭朝向巷道幫面，并且在錨桿露頭處纏繞充填材料包裝袋；（2）在直徑DN65 鋼管嵌套入直徑DN100的風(fēng)水管，增加檔桿剛度。分三次充填，每次充填高度0.8～1.2 m，待前次充填漿液初凝后再進(jìn)行下一次充填，起到減小漿液對(duì)充填袋側(cè)面壓力的作用。

圖2 充填體支撐平臺(tái)示意圖

最終頂部袋式充填成功實(shí)施，從施工平臺(tái)搭建，到膜袋合理的尺寸改進(jìn)，最后到充填體的穩(wěn)固措施等多方面優(yōu)化了頂部袋式充填的施工工藝。現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)物圖如圖3。

圖3 頂部袋式充填施工實(shí)物

3 回采巷道頂部袋式充填應(yīng)用效果

3.1 單體支柱受力特征分析

施工結(jié)束后，為了檢驗(yàn)充填體強(qiáng)度的合理性以及充填效果，在5313 運(yùn)輸巷中充填體下方的單體柱上安裝應(yīng)力計(jì)如圖4，觀測(cè)單體柱的應(yīng)力，進(jìn)而為后續(xù)工作展開提供指導(dǎo)。

通過對(duì)單體柱工作阻力觀測(cè)可知，單體柱最小工作阻力12.3 MPa，最大工作阻力25.7 MPa，超前支承壓力峰值處于工作面前方7～9 m 處，影響范圍45 m。測(cè)點(diǎn)距工作面20～45 m 時(shí)，單體柱工作阻力緩慢增加，但增量不大。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，應(yīng)力峰值處充填體完整性好，并未出現(xiàn)大變形的情況，充填體強(qiáng)度足夠。

圖4 單體柱壓力觀測(cè)布置示意圖

不同充填體下單體柱壓力相差較大，可能原因有：（1）單體柱初始工作壓力不同，當(dāng)工作面來(lái)壓時(shí)，單體柱壓力隨之增加，造成單體柱壓力差別大；（2）落底后巷道內(nèi)底板遺留煤體分布不均造成巷道底板軟硬程度不同，當(dāng)巷道頂板巖體應(yīng)力增加時(shí)，單體柱出現(xiàn)不同程度的插底現(xiàn)象，單體柱壓力同樣會(huì)出現(xiàn)較大不同；（3）巷道不同位置，頂板壓力不同，充填體凝固程度不同，壓縮量不同，頂板巖體應(yīng)力傳遞到單體柱的力有較大差別。

3.2 巷道圍巖變形特征分析

為觀察5313 工作面回采巷道充填段圍巖變形情況，在工作面軌道巷內(nèi)布置測(cè)站。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，從工作面軌道巷中超前工作面40 m，每間隔10 m 布置1 組巷道表面位移觀測(cè)點(diǎn)，共布置了3組測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，在兩幫中間位置用紅漆在錨桿托盤上標(biāo)記點(diǎn)A、B。

按照監(jiān)測(cè)方案對(duì)工作面軌道巷內(nèi)的表面位移監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行了布置后，結(jié)合工作面推進(jìn)情況，定期下井對(duì)巷道表面位移變化進(jìn)行觀測(cè)和記錄，并對(duì)其進(jìn)行匯總和整理，得出巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平颗c監(jiān)測(cè)斷面距工作面距離之間的關(guān)系，繪制出的巷道兩幫移近量曲線如圖5。

由圖5 分析可得出：

（1）超前工作面30 m 以外，巷道兩幫移近量幾乎不受采動(dòng)影響，22～30 m 處巷道兩幫變形速度緩慢增加，0～22 m 巷道變形速度處于快速增長(zhǎng)階段。

（2）距離工作面越近，巷道圍巖受采動(dòng)影響越大，巷道兩幫移近量越明顯，巷道變形速度越快，故超前工作面0～30 m 為采動(dòng)影響區(qū)，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

（3）從上圖可以發(fā)現(xiàn)巷道兩幫整體變形量較小，最大變形量196 mm，對(duì)工作面正?；夭蓻]有影響，主要原因除了與巷道圍巖在充填支護(hù)前經(jīng)歷過較大變形有關(guān)，還說明充填體控制巷道圍巖變形效果明顯。

圖5 巷道兩幫移近特征

工作面推進(jìn)到第一個(gè)充填袋時(shí)，充填體并沒有發(fā)生斷裂，產(chǎn)生隨采隨落的現(xiàn)象。工作面推進(jìn)到第一個(gè)充填體長(zhǎng)度的3/4 時(shí)，充填體向采空區(qū)方向有一定傾斜，工作面完全過充填體后，第一個(gè)充填體傾斜垮落，由于下方存在木垛支撐物，充填體不能完全著地，搭接在巷幫上。第二個(gè)充填體垮落情況與第一個(gè)相同。到第三個(gè)充填體時(shí)，充填高度較大，單位長(zhǎng)度上充填體自重應(yīng)力較大，并且充填體強(qiáng)度較低，充填體能隨著工作面隨采隨落，且能夠完全觸底，垮落效果符合預(yù)期情況?？傮w來(lái)說，經(jīng)過優(yōu)化后的施工工藝能夠完全滿足工程需求。

4 結(jié)論

（1）分析了袋式充填材料的性能需求，選擇雙液充填材料水灰比為3.5:1；通過改良制漿系統(tǒng)提高了充填系統(tǒng)的充填效率，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化了施工工藝。

（2）巷道頂部袋式充填在5313 工作面應(yīng)用后，通過觀測(cè)單體柱的應(yīng)力變化及充填體形態(tài)發(fā)現(xiàn)，位于應(yīng)力最大處單體柱上充填體完整性良好。同時(shí)收集回采過程中巷道兩幫變形量，巷道兩幫最大移近量為196 mm，巷道沒有明顯破壞現(xiàn)象，工作面順利回采。