综采面运输巷机械化原巷充填采煤工艺研究

张重阳

（晋能控股煤业集团永定庄煤业公司，山西 大同 037001）

1 概况

永定庄煤矿2104工作面采用综合机械化开采，工作面走向长度1 560 m，倾斜长度145 m；工作面标高-313～-348 m，地面标高+11.5～+14.8 m，煤层平均厚度约3.6 m。由于前期部分小煤窑对该矿区区域进行了开采，存在一定采空区及采空区积水，开采难度较大。2104工作面直接顶由泥岩和砂岩等组成，可见一定的植物化石；该工作面老顶主要由细砂岩构成，质地较硬，存在裂隙滑面。结合地质地层结构组成，选择机械化原巷充填采煤工艺[1]，保证综采巷道围岩稳定安全，降低片帮冒顶等事故发生概率；同时可以降低护巷煤柱应力，解放煤柱下方煤层[2]，避免下方煤层掘进时煤与瓦斯突出事故的发生；另外填充体封闭性能好[3]，能有效防止瓦斯等有害气体从采空区溢出[4]。

2 原巷充填巷道围岩力学特征分析

采用Flac数值模拟软件对2104工作面两道原巷填充开采和不填充开采两种工况下的巷道围岩应力场、位移场和围岩破坏场等巷道围岩力学特征分布规律进行研究。

2.1 回采巷道围岩应力场分布特征

分别模拟未填充与填充开采巷道在距离工作面不同处巷道处垂直应力，模拟结果如图1所示。根据图1可以看出两种工况下巷道垂直应力的变化趋势是相同的，在距离开采工作面4 m内的巷道垂直应力最大，未充填工况巷道可以达到42.12 MPa，应力集中系数为1.52，填充工况巷道最大应力为41.07 MPa，应力集中系数为1.63；在20 m处未充填和充填工况下巷道垂直应力分别为32.74 MPa和28.16 MPa，应力集中系数为1.15和1.02；在模拟最远处，即距离工作面60 m处，垂直应力分别为27.45 MPa和18.44 MPa，应力集中系数为1.08和1.03。

图1 未充填与充填巷道不同位置垂直应力变化

分析不同工况下垂直应力变化趋势可以看出，无论是哪种开采方式，最大垂直应力都出现在距开采工作面约4 m处，位置大致相同。这是受工作面采动影响的原因，相较而言，充填开采巷道应力峰值小于未充填开采巷道，随着距离开采面距离的增加，垂直应力持续下降，且充填开采巷道应力下降趋势明显更大，最终两种开采方式下巷道均在60 m以后垂直应力趋于稳定，稳定后的垂直应力相差约30%，因此充填开采方式更有利于巷道稳定。

2.2 回采巷道围岩位移场分布特征

分别模拟未填充与填充开采巷道在距离工作面不同处巷道顶底板位移特点，分别选取了距离开采面1 m、10 m、25 m、40 m和60 m五个模拟位置进行研究，模拟结果如表1所示。

表1 未充填与充填巷道顶底板位移量数据表（单位/mm）

分析不同工况下巷道顶底板位移量变化趋势可以看出，距离开采面1 m距离处的顶底板位移量是最大的，充填开采巷道的位移量是远远小于未充填开采巷道的，且充填巷道顶底板最大位移量与10 m处的未充填巷道顶底板位移量几乎相等；随着距离增加，位移量都在减小，最终在60 m处均趋于稳定，且位移量在该处几乎相同，这说明充填开采方式对巷道最不稳定的0～60 m范围内的顶底板位移量控制有明显效果，但在60 m之后，由于巷道受到采动影响已经不强烈，因此巷道稳定性都得到保障。

2.3 回采巷道围岩破坏场分布特征

通过模拟发现，两种开采方式均会导致巷道出现拉伸破坏和剪切破坏现象，其中剪切破坏导致的巷道围岩失稳为主要因素。模拟显示，无论是充填开采巷道还是未充填开采巷道，围岩的破坏程度都较大，这是受到工作面采动的影响导致的，相较而言，充填开采巷道的剪切破坏范围相对较小。对距离开采工作面10 m、25 m和60 m三处巷道进行破坏场模拟，其中在10 m处，两种开采方式下的巷道围岩均以剪切破坏为主，同时还有拉伸破坏情况的出现；同样的模拟结果也在40 m处出现，而在60 m处，拉伸破坏现象没有出现，巷道围岩的较为稳定。分析模拟结果可以发现，两种开采方式下，巷道围岩的破坏形式实质上是相同的，破坏场因素复杂，围岩破坏因素呈现复合形式，同时存在剪切破坏和拉伸破坏。但从模拟结果也可以看出，充填巷道中的充填体也会出现破坏现象，说明充填体对巷道围岩具有一定的支护作用，承担了部分巷道应力导致的破坏。

3 原巷机械化充填方案

通过分析原巷充填巷道围岩力学特征，充填开采方式对巷道围岩的垂直应力控制、顶底板位移量控制和破坏场控制都有很明显效果，有助于保持工作面巷道的围岩稳定性，结合2104工作面特点，进行机械化充填方案研究。

原巷机械化充填工艺的核心是采用注浆泵将充填材料通过管道输送到综采工作面附近的充填模箱内[5-6]，经过充填材料的固化形成隔离墙，将采空区域与巷道分隔开，结合巷道内的液压支护方案共同起到支护效果。原巷机械化充填工艺相较于一般填充工艺，最大特点是机械化程度高[7-8]，通过采用抓包机、上料机以及注浆混合器和注浆泵的配合，取代人工搬运、混合注浆材料；使用超前液压支架取代单体液压支柱支护；隔离墙的形成通过注模箱实现；原巷机械化充填工艺部分工序能够实现同时施工，降低充填施工时间。机械化充填过程中对巷道和采空区的扰动很小[9]，且形成的隔离墙支护强度高，能够最大程度减少回采巷道的围岩变形量[10]，为巷道超前支护机械设备的进入提供条件。原巷机械化充填工艺流程为割煤—移架—设立充填模箱—注浆搅拌—充填—超前支护—割煤。该方案可以实现区段无煤柱开采，下区段工作面巷道可沿充填体掘巷，充填体位置模型如图2所示。

图2 原巷机械化充填工艺充填体位置

3.1 充填设备选型

注浆泵选型要根据工作面的实际推进能力来确定，充填泵选型按照以下公式确定：

式中：Q为注浆泵的额定流量，m3/h；n为注浆泵的效率，取值一般为0.8；t为每天注浆时间，h；S为原巷平均截面积，m2；L为工作面每天推进长度，m。

2104工作面每天的推进速度约为7 m，原巷平均高度为4.5 m，平均宽度为6.4 m，即充填截面积为28.8 m2，充填施工采用三班制，除去设备检修清理等时间外，每班实际充填施工时间约为4 h，按照公式确定的充填泵设计额定流量为21 m3/h，选用2ZBYS32/10-15型三缸注浆泵，额定流量为32 m3/h。其他设备的选型型号和设备参数如表2所示。

表2 2104工作面原巷机械化充填采煤工艺主要设备参数

3.2 充填制浆混合系统

采用高水充填材料进行浆液制造，浆液混合系统大致可以分为材料存放部位、浆液制备部位、浆液混合部位以及浆液输送部位，各部位配合工作，在操作人员控制下实现充填制浆和混合输送，该系统是充填系统的核心，系统配置相对复杂。充填制浆混合系统固定安置在井下一定位置，不随工作面推进而移动，系统制备的混合浆液要经过长距离输送到达充填区域。制浆系统有连续制浆和非连续制浆两种模式，连续制浆模式需要提前将制浆材料配比确定，系统开启后按照投放的原料比连续不断制备浆液并输送；非连续制浆系统复杂，可以根据需求在制浆过程中不断调整各原料比，浆液性能更能满足充填需求。2104工作面充填区域围岩特点基本相同，按照固定比例配制的浆液能够满足充填需求，充填材料以硫酸盐水泥熟料为基料，加入石膏、石灰、复合缓凝剂、悬浮剂、复合速凝剂等配制而成，水灰比为1.5:1。

3.3 充填管路系统

充填管路系统主要实现浆液从注浆泵注入充填模箱的功能，浆液分两部分输送完成，管路一方面要耐压，另一方面管径要适中。2104工作面原巷充填选择高压软管，耐压等级为16 MPa，管径为250 mm管路进行充填管路系统铺设，如图3所示。

图3 2104工作面注浆充填管路系统

3.4 机械化充填采煤工艺实施

2104工作面采煤机采用端头斜切进刀方式，反向割三角煤的刀头切割路径，采煤机完成一次路径截割后，运输机紧跟其后达到煤帮，前后滚筒分别进行上升和下降动作，沿刮板运输机弯曲段切入到煤壁，一直移动到刮板运输机的直线段，并将刮板运输机抵直，调换滚筒上下位置割三角煤，再次调换滚筒上下位置正常割煤，然后抵溜、移架，对运输巷道进行充填，反复进行以上工艺步骤。充填模箱通过千斤顶与超前液压支架连接，液压支架推动前进时，通过千斤顶的配合实现充填模箱的同步移动。模箱到位后，操作人员开启注浆系统，向模箱内进行注浆充填。考虑到2104工作面原巷充填条件，设计的模箱为L型半封闭结构，机械化充填采煤工艺实施如图4所示。

4 应用效果

为了验证原巷机械化充填采煤工艺实施效果，对巷道围岩位移量进行监测对比，分别选取2104工作面顺槽液压支架超前支护未进行充填巷道和充填巷道各60 m的长度范围进行巷道顶底板位移量监测设备的布置，按照监测数据绘制如图5所示。

图4 2104工作面机械化充填采煤工艺施工

图5 60 m范围内液压支架支护未填充和填充段巷道顶底板移近量对比

通过图5可以看出，在相同位置处未经过充填巷道顶底板移近量比填充巷道顶底板移近量大，二者在距离工作面最近处相差最大，约为25 mm左右，说明经过填充的巷道围岩稳定性更加优秀，与利用Flac数值模拟软件进行的回采巷道围岩位移场分布特征模拟结果对比可以看出，实际监测的未充填段巷道和充填段巷道顶底板位移量与软件模拟结果基本相同，从理论和实践两个方面进一步证明了充填开采工艺的有效性和科学性。另外在采用原巷机械化充填采煤工艺后，仍采用三班作业制度，原巷道支护组人数为15人，目前为4人，填充进度满足采煤机掘进进度，极大降低了人工劳动强度。