劉小軍

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000）

1 概況

山西陽煤集團(tuán)新元煤礦生產(chǎn)能力為270 萬t/a，主采煤層為3 號(hào)煤和9 號(hào)煤。隨著生產(chǎn)能力的增大和開采年限的延長，新元礦的開采水平不斷延伸。目前，3 號(hào)煤的埋藏深度已經(jīng)超過600 m。新元礦為煤與瓦斯突出礦井，9 號(hào)煤工作面回采之間需要進(jìn)行瓦斯抽采，內(nèi)錯(cuò)尾巷和高抽巷都布置在煤層上方的巖層中，并且為方便巷道維護(hù)，正在施工的9號(hào)煤回風(fēng)大巷也布置在巖層中，該巷道采用盾構(gòu)機(jī)施工，日進(jìn)尺15 m，月產(chǎn)矸石1.5 萬t。為此，新元礦在工業(yè)廣場(chǎng)9 號(hào)煤中掘進(jìn)巷道，就地處理井下矸石。9 號(hào)煤層的平均厚度3.4 m，平均傾角2°，頂?shù)装鍘r性如圖1 所示。

圖1 9 號(hào)煤頂?shù)装鍘r性Fig.1 Lithology of roof and floor of No.9 coal seam

2 巷道矸石充填系統(tǒng)布置

2.1 采充巷道布置

按綜采工作面的巷道布置方式掘進(jìn)巷道，如圖2 所示。為減少充填與掘進(jìn)的相互干擾，實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)，在充填區(qū)域內(nèi)間隔掘進(jìn)巷道。當(dāng)一條巷道掘進(jìn)結(jié)束后，立即進(jìn)行密閉、充填。

如圖2 所示，按工作面布置的方式開掘工作面上下巷和開切眼。工作面采用間隔跳采，全部回收的方式。在區(qū)域中部開掘1 條支巷，將區(qū)段劃分為2 部分，在兩側(cè)分別掘進(jìn)副巷出煤充填。下一個(gè)巷道與該巷道之間預(yù)留一段保護(hù)煤柱，下一條巷道掘進(jìn)時(shí)，上一條已經(jīng)掘進(jìn)的巷道為備充巷道，對(duì)巷道進(jìn)行充填。第一階段的巷道掘進(jìn)結(jié)束后，在前兩個(gè)巷道保護(hù)煤柱之間進(jìn)行第二階段的掘進(jìn)充填，直至將所有煤柱回收。這樣，在整成區(qū)域內(nèi)形成“一采一充”開采方式，采充在2 個(gè)巷道內(nèi)進(jìn)行，平行作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率。

圖2 掘充巷道布置示意Fig.2 Layout of excavation and filling roadway

2.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

由于巷道內(nèi)的充填材料為主要的承載體，巷道支護(hù)的目的是為了后期充填作業(yè)的安全，因此，與回采順槽相比，可適當(dāng)降低支護(hù)強(qiáng)度，其支護(hù)方案如圖3 所示。

（1）頂板支護(hù)。頂錨桿為φ20 mm×2 200 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每根錨桿使用2 卷CK2335 樹脂藥卷錨固，頂錨桿的間距如圖3 所示，排距為1 000 mm。每個(gè)斷面布置6 根頂錨桿，最外側(cè)2 根錨桿向外傾斜15°。頂錨索為φ15.6×6 300 mm 的鋼絞線，錨索鉆孔深度為6 000 mm，每根錨索使用3 卷CK2360 樹脂錨固劑錨固，錨索呈五花布置，排距為1 000 mm，同斷面的2 根錨索間距為3 000 mm。

圖3 充填巷支護(hù)方案Fig.3 Filling roadway support scheme

（2）兩幫支護(hù)。巷道兩幫采用φ20 mm×2 000 mm 全螺紋錨桿，使用1 卷CK2360 樹脂錨固劑錨固，每個(gè)斷面布置8 根幫錨桿，最上位和最下位錨桿分別向頂板和底板方向傾斜15°，排距為1 000 mm×1 000 mm。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 充填方式的確定

按第一階段結(jié)束后，中間煤柱的受力最大，此時(shí)的受力可作為充填體的強(qiáng)度指標(biāo)。建立如圖4 所示的力學(xué)模型。

圖4 充填體受載示意Fig.4 Loading diagram of filling body

充填體所需強(qiáng)度計(jì)算見式（1）。

式中：σp為充填體按所需強(qiáng)度，Pa；γ 為頂板巖層的密度，N/m3；h 為巷道頂板的下沉量，m；a 為充填體寬度，m；b 為兩側(cè)充填體的寬度，m。

根據(jù)新元礦9 號(hào)煤的實(shí)際情況，代入計(jì)算可得，充填體所需強(qiáng)度為3.1 MPa。

如果采用散裝的矸石固體充填，由于矸石之間沒有膠結(jié)，難以達(dá)到強(qiáng)度要求，為此在矸石充填結(jié)束后采用高水材料進(jìn)行補(bǔ)充注漿充填，即采用矸石充填+高水注漿相結(jié)合的方式。

3.2 開采工藝

開采工藝分為巷道掘進(jìn)和充填2 部分，巷道掘進(jìn)出煤與常規(guī)的巷道掘進(jìn)相同。

為提高充填效果，在巷道矸石充填之后對(duì)巷道進(jìn)行注漿補(bǔ)充充填。因此，巷道充填主要分為2 部分，首先是巷道矸石充填，然后采用高水材料進(jìn)行注漿。

3.2.1 巷道矸石充填

巷道矸石充填的主要設(shè)備為拋矸機(jī)，拋矸機(jī)的拋矸皮帶可左右擺動(dòng)，最大擺動(dòng)角度為15°，帶速為3.15 m/s。

（1）巷道掘進(jìn)完成以后，在巷道一側(cè)施工擋墻，同時(shí)在巷道頂板安設(shè)注漿使用的花管。

（2）將運(yùn)矸設(shè)備開啟，打開高速拋矸機(jī)，利用拋矸機(jī)將矸石投至巷道內(nèi)，由擋墻處開始，向外充填。

（3）當(dāng)巷道內(nèi)的矸石堆積至一定高度后，拋矸機(jī)左右搖擺，將5 m 寬的巷道斷面全部充填。

（4）拋矸機(jī)的前后伸縮距離為3 m，因此一個(gè)充填步距可充填3 m 的巷道，一個(gè)步距結(jié)束后，收縮輸送機(jī)，準(zhǔn)備下一次的充填。

3.2.2 高水材料充填

高水材料是一種類水泥材料，由A、B 組分組成，兩種組分的單漿液不凝固，其流動(dòng)性好，混合后凝固速度快，用于補(bǔ)充充填可以將散裝矸石膠結(jié)到一起，提高頂板支護(hù)效果。矸石充填結(jié)束后，在巷道另一側(cè)施工擋墻，并預(yù)留注漿管和觀察孔。

高水材料充填的主要設(shè)備為充填泵和攪拌桶，主要的設(shè)備型號(hào)見表1。

表1 高水注漿主要設(shè)備Table 1 Main equipment for high water grouting

高水材料注漿的流程如圖5 所示。

圖5 高水材料注漿流程Fig.5 Process of high water material grouting

（1）攪拌制漿?？紤]到凝固時(shí)間及強(qiáng)度的要求，將高水材料的水灰比確定為5∶1，按此比例分別在A、B 攪拌桶中加水加料，攪拌時(shí)間不得低于3 min，當(dāng)1 號(hào)、3 號(hào)攪拌桶中的漿液輸送時(shí)，2號(hào)、4 號(hào)開始制漿，保證連續(xù)制漿輸送。

（2）漿液輸送。制備好的A、B 漿液經(jīng)輸送泵輸送至充填矸石的巷道中，進(jìn)入密閉巷道之前，利用Y 形三通將2 種漿液混合到一起。

（3）停止注漿。當(dāng)觀察孔中有漿液流出時(shí)，停止注漿，同時(shí)卸下三通，為下個(gè)巷道注漿使用，同時(shí)將觀察孔封閉。

（4）管路清洗。每次注漿結(jié)束后，都要利用清水對(duì)充填泵和管路進(jìn)行清洗，混漿管中流出清水時(shí)結(jié)束清洗。

4 應(yīng)用效果

4.1 煤柱應(yīng)力實(shí)測(cè)

在進(jìn)行第一階段巷道掘進(jìn)過程中，采用KSE-Ⅱ-1 型鉆孔應(yīng)力計(jì)對(duì)煤柱應(yīng)力進(jìn)行觀測(cè)。一共設(shè)置3 個(gè)鉆孔，鉆孔的間距為50 m，每個(gè)鉆孔內(nèi)安裝3 個(gè)應(yīng)力計(jì)，深度分別為1、3、5 m。

2 號(hào)鉆孔內(nèi)的應(yīng)力計(jì)隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 2 號(hào)鉆孔應(yīng)力觀測(cè)結(jié)果Fig.6 Stress observation results of borehole 2

由觀測(cè)結(jié)果可以看出，不同深度鉆孔應(yīng)力計(jì)的變化規(guī)律基本相同，隨著時(shí)間的延長，應(yīng)力緩慢逐漸增長，40 d 左右煤體受力達(dá)到穩(wěn)定，1 號(hào)應(yīng)力計(jì)的觀測(cè)值最大，為2.1 MPa。

4.2 地表沉降觀測(cè)

4.2.1 地表沉降預(yù)計(jì)

參考工作面回采的方法對(duì)地面下沉進(jìn)行預(yù)計(jì)。由于巷道內(nèi)進(jìn)行了充填，相當(dāng)于降低了采高，因此工作面高度應(yīng)用等效采高來計(jì)算[5-6]。

式中：m 為充填巷高度，m；η 為矸石和高水混合材料的壓縮率；δ 為巷道頂板下沉量，m；△為充填未接頂量，m。

根據(jù)新元礦9 號(hào)煤的實(shí)際情況，代入計(jì)算可得，預(yù)計(jì)地面最大下沉量為29 mm。

4.2.2 實(shí)際觀測(cè)結(jié)果

在地面設(shè)置測(cè)線，埋深基樁，對(duì)地面沉降進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)表明，第一階段的巷道掘進(jìn)過程中，地面下沉量較少，下沉速度緩慢，第二階段巷道掘進(jìn)及充填后，地面下沉速度增加，最終下沉量為32 mm，下沉速度約為0.8 m/d，傾斜值為0.9 mm/m，地面工業(yè)廣場(chǎng)辦公樓穩(wěn)定，無裂縫產(chǎn)生。

5 結(jié)論

（1）新元礦9 號(hào)煤巷道充填所需的充填體強(qiáng)度不小于3.1 MPa，散裝矸石難以達(dá)到，需要在矸石充填的基礎(chǔ)上利用高水材料進(jìn)行補(bǔ)充注漿。

（2）由于巷道內(nèi)充填體的存在，因此地面沉降預(yù)計(jì)應(yīng)以等效采高計(jì)算，等效采高的大小與材料壓縮率、頂板下沉量、充填未接頂量等有關(guān)。

（3）新元礦矸石井下采用掘進(jìn)巷道的方式就地處理，提高了煤炭資源的回收率，保證了地面建筑物的穩(wěn)定，為煤礦綠色開采提供了個(gè)新的途徑。