张 宇
（晋能控股煤业集团云岗矿，山西 大同 037001）
云岗矿开采的煤层主要有3#、11#和14#三个煤层，3#煤层厚度约为6.8 m，8418 工作面为3#煤层开采作业区。煤层基本顶为深灰色石灰岩，厚度为11.6～14.5 m；
直接顶为黑色泥岩，厚度1.5 m 左右；
直接底为黑色泥岩，厚度为4.6 m 左右；
基本底为灰褐色细砂岩，厚度4.8 m 左右。8418 工作面长度为225 m，最大倾斜角度为6°，采用机械化大采高一次采全高工艺。8418 工作面需要穿过部分皮带巷和轨道巷，过空巷会对工作面产生影响，进行空巷充填降低空巷不稳定性具有实际意义。
综采工作面过巷充填工艺指的是在回采工作面过空巷过程中，将满足流动性且凝固后能起到巷道支撑作用的充填材料采用一定的工艺方法充填到空巷中进行胶结[1]，维持巷道基本顶稳定，且胶结后的充填体要具有传递支架支护阻力的效果，进而通过支架支护进一步保持充填体两帮和顶底面的完整。空巷充填工艺实施的关键是充填材料的选择、充填系统的设计以及工艺实施方案的确定[2]。
（1）充填材料选择
高水材料能够作为充填材料的主要特性为[3]：在高水灰比下高水材料的凝结速度快，且凝结后硬度高，具有良好的充填支护效果。根据空巷地质特点，选用水灰比2.4:1，高水材料凝结后会生成大量钙矾石，其结晶水容积高达81.16%[4]，这是高水材料优于一般充填材料的特性。对水灰比为2.4:1的高水材料凝结性能进行试验研究，凝结24 h 后进行抗压能力检测，发现具有不低于3.5 MPa 的三轴抗压强度，凝结72 h 后，三轴抗压强度达到4.2 MPa，且当应变达到12%时，其残余抗压强度仍能达到其峰值的60%以上，该性能的高水材料能够满足工作面过空巷的充填需求。
（2）充填系统设计
高水材料分为甲料和乙料两部分，使用时对甲乙料分别加水后通过管道输送到充填区域并混合，甲乙料混合比选择1:1，甲乙料都具有水溶性，在输送过程中不会出现凝固，只有在混合后经过一定时间才会凝固。充填系统示意图如图1，图中1#搅拌桶和2#搅拌桶对甲料进行两次加水搅拌，3#和4#搅拌桶对乙料进行同样工艺作业，注浆泵通过两路吸浆管路将甲乙浆液进行加压输送，出浆管将浆液输送到混料器中进行混合，然后通过短距离输送管道将高水材料输送到特定充填区域。
图1 充填系统示意图
通过卸料机将甲料和乙料加入到搅拌桶中，开启注水泵注水搅拌，1#、2#搅拌桶和3#、4#搅拌桶互为交替进行注水搅拌和注浆作业。8418 工作面过空巷充填高水材料注水管输水压力不低于0.5 MPa，注水能力不低于15 m3/h，注浆泵采用660 V工作电压。在高水材料注水过程中，施工人员进行支设临时半密闭作业，密闭完成后注浆泵启动，观察出料口甲料和乙料混合情况，待出料混合均匀后将注浆管插入空巷中进行充填作业。8418 工作面高水材料充填系统主要设备见表1。
表1 8418 工作面充填设备明细表
（3）工艺实施方案
充填体本质作用是对过空巷进行支护，保证巷道顶板不出现冒顶，因此在回采工作面超前支承压力作用下，充填工艺实施需要重点考虑以下特点：充填体浆液在充填阶段流动性要好，能够在充填压力作用下充满整个空间；
充填体浆液在凝结阶段要具有凝结速度快、凝结强度高特点，且需具有良好的塑性变形，能够支护巷道顶板承受超前支承压力，保持巷道围岩稳定。皮带巷老巷长度为225 m，充填作业将巷道划分为多个充填区域，每个区域长度为8 m，如图2。
图2 注浆分段区域划分示意图（m）
为了保证每个充填区域的充填浆液能够充满，在充填作业前对区段前后进行止浆墙设置，采用木立柱上钉16 mm 木板，并内侧衬一层风筒布的结构构建，两侧插入巷道两帮300 mm，顶部和底部插入200 mm。为防止注浆管路堵塞影响充填注浆作业，在分段区域内铺设两路管路，一路进行注浆作业时，另外一路可以作为排气管道使用，防止密封区域内压力升高，增加注浆泵负荷，注浆管路铺设在巷道顶部，铺设图如图3。在止浆墙离巷道顶部100 mm处开设充填高度观察孔，充填作业至浆液从观察孔流出后，使用棉纱将孔堵住，继续充填12 min，注浆泵上压力显示为1.2 MPa 后停止注浆，采用局部通风机对充填区段进行通风，待充填体凝结后循环第二区域充填作业。
图3 充填注浆管路铺设示意图
（1）矿压监测设备
设置支架测站进行8418 工作面支架压力变化实时监测，在监测工作面的上、中、下各设置一条监测线，均匀布置YHY-604 型支架测力仪和本安型数字压力计，监测并记录工作面巷道各监测断面压力数据。矿压监测设备见表2。
表2 矿压监测主要设备
（2）矿压监测结果分析
由于监测设备在工作面揭露空巷和继续推进进入空巷的整个过程中，监测到的压力数据不一样，相较而言在未充填空巷处支护的支架支承压力比充填区域处支架支承压力大，为了便于统计，在数据处理阶段将布置在未充填区域的支架监测数据进行了均值处理，按照距离工作面不同距离的支架压力监测数据绘制如图4。
图4 距离工作面不同距离支架压力曲线图
通过图4 可以看出，8418 工作面距离空巷50 m 左右处，支架支承压力开始受到空巷局部充填的影响出现变化，但变化趋势稳定，压力增加不大，该状态持续至距离空巷20～50 m 范围内；
当工作面距离空巷小于20 m 时，支架支护阻力急速增加，从稳定的29.6 MPa 增大到30.5 MPa，且最大支护阻力出现在工作面到空巷处，但该支架支护阻力仍小于ZY1300-35/68D 型支架安全阀的开启压力，即虽受到空巷影响，但支架支护效果明显。从监测数据可以看出，当工作面越过空巷后，支架支护阻力迅速恢复到低值。
对充填体的稳定性进行观察，当工作面推进到离充填空巷距离较近时，高水材料凝结后的充填体能够有效保持巷道两帮和顶部围岩的稳定，没有出现任何片帮现象；
当工作面推进到充填空巷处时，充填体能够被采煤机稳定切割，并没有出现片帮现象，且支架前方巷道顶板也没有冒顶。对比工作面快揭露空巷时和已经揭露空巷时充填体的外观，可以看出充填体表现出了良好的塑性变形特点和让压性能。
结合8418 工作面地质条件，在综采过程中对过空巷段采用高水材料充填工艺，保证了作业安全，形成以下结论：
（1）采用高水材料作为空巷充填材料，结合8418 综采工作面过空巷地质特点，选用水灰比2.4:1比例，经试验验证，该比例的高水材料在24 h 凝结后的三轴抗压强度不低于3.5 MPa，特性满足空巷充填需求。
（2）充填作业将工作面过空巷划分为多个区域，每个区域长度8 m，每个充填区域前后设置止浆墙，进行支设临时半密闭，注浆泵上压力显示为1.2 MPa 后完成注浆。
（3）对ZY1300-35/68D 型支架支护阻力进行监测，8418 工作面距离空巷50 m 左右处，支架出现变化，在距离空巷小于20 m 时，支护支架的支护阻力从29.6 MPa 增大到30.5 MPa，小于支架安全阀的开启压力。
（4）在工作面揭露空巷时对充填体进行观察，充填体具有良好的塑性变形特点和让压性能。
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