沁和能源候村煤礦高水材料巷旁充填技術(shù)分析

陳朝飛

（沁和能源集團有限公司候村煤礦 山西晉城048205）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計研究我國70%以上的國有煤礦為高瓦斯礦井，瓦斯排放量呈現(xiàn)逐年增大的趨勢，受煤層透氣性能及井下復(fù)雜開采系統(tǒng)布置的影響，容易在工作面上隅角等位置形成瓦斯積聚現(xiàn)象[1]。沁和能源集團有限公司候村煤礦為高瓦斯、大地壓礦井，由于煤層致密、裂隙不發(fā)育，采動之前難以抽采瓦斯。采前預(yù)抽加U型通風也不能有效解決隅角瓦斯積聚的問題[2]，沿空留巷是在上區(qū)段工作面采過后，將運輸巷保留下來作為區(qū)段工作面開采時的回風巷，又稱作“一巷兩用”，可以形成長壁工作面Y形“兩進一回”的通風方式，在提高煤炭資源采出率的同時，還能有效優(yōu)化進回風路線，避免工作面上隅角出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象，因此在有條件的礦井采用工作面Y形通風布局方式能夠更好地解決工作面瓦斯積聚的難題[1]。但是這種開采方式對工作面的地質(zhì)條件有一定的要求，同時巷道的變形量要控制在一定范圍內(nèi)，且支護壓力不能過于強烈，充填開采可較好的滿足上述支護控制要求。

中國礦業(yè)大學研發(fā)的新型高水充填材料（以下簡稱高水材料）是一種能在高水灰比條件下快速凝結(jié)的無機充填材料[1,3-5]。材料本身和相關(guān)技術(shù)已經(jīng)完善，并在多個礦務(wù)局現(xiàn)場實施，留巷效果良好。高水材料分甲料、乙料兩組分，甲料、乙料單獨與水混合24 h不凝結(jié)，為避免管路堵塞和一定條件下不沖洗管路創(chuàng)造了條件，與其它水泥類材料相比，新型高水材料具有許多技術(shù)優(yōu)勢。

1 工作面概況

22301工作面井下位于北三盤區(qū)右翼，西接北三回風巷，東至北一盤區(qū)邊界煤柱，與22118采空區(qū)最短間距36 m，南鄰22303工作面（未布置），北鄰B2301工作面（未布置），其采掘工程平面圖見圖1所示。

圖1 22301工作面采掘工程平面圖

22301工作面平均長度2 652 m，工作面傾斜長度205 m，工作面沿2#煤層回采，煤層厚度4.15 m～5.50 m，平均4.75 m煤層最大傾角8°，最小傾角2°，平均約4°。該煤層頂?shù)装迩闆r見圖2所示。

圖2 22301工作面綜合柱狀圖

22301工作面采用MG750/1780-GWD型雙滾筒采煤機雙向割煤，進刀深度為0.86 m；采用采煤機螺旋滾筒配合SGZ-900/1050型可彎曲刮板輸送機裝煤；工作面采用SGZ-900/1050型可彎曲刮板輸送機、SZZ-900/315型橋式轉(zhuǎn)載機、PCM200型破碎機及DSJ120/180/3×400型膠帶輸送機運煤。

2 新材料物理力學性能

2.1 速凝早強特性

高水材料甲、乙兩組份分別加水攪拌后長時間不凝固，但當兩種漿體混合后20 min內(nèi)可初凝。在實驗室標準測試條件下（水灰比為1.5:1），初凝時間可控制在15 min以內(nèi)，2 h抗壓強度可達2.1 MPa，24 h抗壓強度可達到5.6 MPa，7 d抗壓強度可達10.36 MPa，28 d能達到10.82 MPa。1 d強度達到最終強度的50%以上，7 d強度可達到最終強度的90%以上。高水充填材料強度隨時間變化關(guān)系詳見圖3所示。

圖3 高水材料各齡期強度

2.2 抗壓強度與水灰比的關(guān)系

圖4為7 d齡期時高水材料單軸抗壓強度與水灰比的關(guān)系圖。從該圖可以看出，高水材料單軸抗壓強度與水灰比成反比關(guān)系，水灰比越小，用水量越少，凝結(jié)體強度就越高，單位體積充填需要使用的高水材料越多。反之，水灰比越大，用水量越多，凝結(jié)體強度就越小，單位體積充填需要使用的高水材料越少。0.5:1～0.75:1是普通水泥混凝土經(jīng)常使用的水灰比范圍，此種條件下高水材料抗壓強度可達到30 MPa～50 MPa。根據(jù)高水材料與水灰比的關(guān)系，調(diào)節(jié)水灰比改變充填體抗壓強度可以滿足多種強度的工程需要。

圖4 高水材料單軸抗壓強度與水灰比關(guān)系

2.3 高水材料的變形性能

在水灰比1.5:1條件下，利用MTS815型剛性伺服機測得高水材料7 d齡期的全應(yīng)力應(yīng)變曲線和變形特點如圖5所示。

圖5 高水材料全應(yīng)力應(yīng)變曲線

從圖5看出，高水材料具有突出的塑性特征，在載荷達到峰值強度后，高水材料并不立即完全破壞喪失承載能力，而是隨著應(yīng)變的進一步加大，承載能力呈緩慢下降趨勢，承載能力隨應(yīng)變增加緩慢下降的速度遠小于一般的混凝土和巖石材料。該水灰比的高水材料峰值抗壓強度為10.36 MPa，當應(yīng)變達到10%時，其抗壓強度還維持在峰值強度的65%以上，應(yīng)變繼續(xù)增加達到18%，殘余抗壓強度為峰值的59%左右。因此，高水材料巷旁支護體呈現(xiàn)明顯的塑性特征，在壓力作用下可以允許產(chǎn)生較大的塑性變形，強度衰減比較緩慢，可以維持較高的殘余強度。

3 新材料充填技術(shù)優(yōu)勢

相比較矸石沿空留巷技術(shù)和混凝土沿空留巷技術(shù)，高水材料沿空留巷技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

3.1 工藝簡單

高水材料沿空留巷技術(shù)與其他沿空留巷技術(shù)相比，工藝系統(tǒng)非常簡單，設(shè)備初期投資很少。

3.2 可長距離輸送

高水材料沿空留巷工藝用水量大、漿液流動性好，易于通過管路泵送，并且單漿液長時間內(nèi)不凝結(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離泵送運輸，很好地適應(yīng)復(fù)雜的井下生產(chǎn)環(huán)境，機械化程度高，生產(chǎn)效率高。

3.3 減少礦井水處理和排放費用

高水材料沿空留巷技術(shù)能夠大量利用礦井水，減少了礦井水處理與排放及其相關(guān)費用，同時又能夠提高煤炭資源回收率，符合國家節(jié)能減排和提高資源回收率的相關(guān)鼓勵政策，社會和生態(tài)效益顯著。

3.4 保持留巷穩(wěn)定性

高水材料充填體強度可人為控制，初期支護阻力大、增阻速度快、恒阻性能好、與頂板接觸效果好，能夠適應(yīng)頂板下沉而讓壓，并且充填體中置入的錨栓的作用使得充填體整體支護穩(wěn)定性好。能夠滿足巷旁支護控制頂板和切頂?shù)囊?，有效地減少頂板下沉量與巷內(nèi)支架承受的載荷，為留巷成功提供保證。

3.5 有效隔離留巷與采空區(qū)

阻燃抗靜電充填袋，將充填袋的富余量留在頂板上，利用泵壓將充填漿液與頂板緊貼，凝固后的充填體能夠很好地把采空區(qū)與巷道隔離開，能有效防止瓦斯爆炸和火災(zāi)，提高了礦井開采的安全性。

3.6 充填開采沿空留巷的經(jīng)濟性

侯村礦22301工作面沿空留巷使下一區(qū)段少掘約1 600 m巷道，巷道掘進成本約為5 000元/m，巷道掘進總費用為800萬元。留巷后，可回收寬度20 m的區(qū)段保護煤柱，煤層平均厚度4.75 m，留巷長度1 600 m，煤炭容重1.35 t/m3，回采率按照95%計算，則回收原煤194 940 t，噸煤售價按700元計算，回收煤柱所得效益為13 645.8萬元。22301工作面沿空留巷1 600 m，每米留巷成本14 200元，沿空留巷總成本為2 272萬元。綜上，22301工作面采用沿空留巷能夠產(chǎn)生12 173.8萬元的直接經(jīng)濟效益，此外可大大減少瓦斯治理成本。

4 結(jié)論

采掘接續(xù)限制著候村煤礦的高產(chǎn)高效候村煤礦產(chǎn)量大，采掘接續(xù)緊張，嚴重制約著礦井的高效生產(chǎn)。在候村煤礦采煤工作面地質(zhì)與開采條件普遍較好的條件下，推行新材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)可有效減少回采巷道維護量，提高礦井的生產(chǎn)效能。