綜采工作面過空巷注漿充填加固技術(shù)應(yīng)用研究

徐 欣

（山西汾西正善煤業(yè)有限公司，山西 孝義 032311）

礦井開采設(shè)計(jì)變更或者超前布置探巷等均會導(dǎo)致空巷。隨著采面與空巷間距的縮小，空巷受到采動(dòng)動(dòng)壓影響更為顯著，若不對空巷圍巖進(jìn)行加固，輕則導(dǎo)致空巷圍巖支護(hù)體系失效、采面與空巷間煤柱變形加急，重則導(dǎo)致采面生產(chǎn)停滯、礦壓顯現(xiàn)異常[1-3]。因此，采取合適的空巷加固技術(shù)方案對確保采面過空巷安全具有十分重要的意義[4-5]。文中以21105綜采工作面過空巷為工程實(shí)例，提出采用高水充填材料對空巷進(jìn)行加固，現(xiàn)場應(yīng)用后確保了采面過空巷安全。研究成果可為其他礦井空巷加固提供參考借鑒。

1 工程概況

山西某礦21105綜采工作面開采11號煤層，采面南側(cè)為已回采完畢的21103采空區(qū)、北側(cè)及東側(cè)為實(shí)體煤、南側(cè)為采區(qū)集中運(yùn)輸、通風(fēng)巷道。11號煤層埋深平均360 m，厚度4.8 m，煤層結(jié)構(gòu)中等-復(fù)雜，內(nèi)部夾雜1-3層泥巖加矸（矸石厚度在0.2 m），傾角平均9°，頂?shù)装鍘r性以泥巖、細(xì)粒砂巖為主，具體巖性參數(shù)見表1。采面回采巷道、切眼掘進(jìn)過程中揭露2條斷層，在采面切眼前方550 m為主有開采變更引起的空巷，具體位置見圖1所示。

圖1 采面空巷位置示意圖

表1 頂?shù)装鍘r性

空巷與采面切眼平行，長度為120 m，斷面為矩形（寬×高=4.4 m×3.8 m）?？障飮鷰r采用錨索網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨桿、錨索規(guī)格分別為Φ20 mm×2 000 mm、Φ17.8 mm×6 200 mm，錨桿、錨索間排距分別為1 330 mm×1 000 mm、1 200 mm×1 000 mm。為了確保采面過空巷安全，提出采用注漿充填加固方式對空巷圍巖進(jìn)行控制。

2 空巷充填加固技術(shù)

2.1 空巷充填加固材料

選擇充填加固材料時(shí)應(yīng)綜合考慮充填加固成本、充填材料使用量以及充填效果等[6]。現(xiàn)階段煤礦井下常用的充填材料類型包括有水泥漿液、化學(xué)漿液以及高水充填材料等。其中水泥漿液存在析水率高、結(jié)石率底以及凝結(jié)時(shí)間過長等問題；化學(xué)漿液在注漿時(shí)容易釋放有毒有害氣體，同時(shí)注漿加固成本相對較高；高水充填材料具備凝結(jié)時(shí)間可控、滲透性好、無析水以及注漿充填加固成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)21105綜采工作面空巷圍巖巖性、支護(hù)參數(shù)以及巷道位置條件，提出采用高水充填材對空巷進(jìn)行注漿充填加固。依據(jù)空巷埋深、采面開采情況以及采動(dòng)動(dòng)壓影響等，確定空巷充填后充填體強(qiáng)度應(yīng)在4 MPa以上。因此，應(yīng)以4 MPa為參數(shù)對高水充填材料配比參數(shù)進(jìn)行確定。

在實(shí)驗(yàn)室對不同配備的高水充填材料在2 h、24 h以及7 d后強(qiáng)度進(jìn)行測試，具體測試結(jié)果見圖2所示。

圖2 不同水灰比下高水充填材料強(qiáng)度變化曲線

從圖2看出，在水灰比保持不變的情況下，高水充填材料隨著凝結(jié)時(shí)間的增加，強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著增加趨勢；在相同條件下隨著水灰比增加，高水充填材料凝結(jié)時(shí)間越長，凝結(jié)后形成的充填體強(qiáng)度更低。從凝結(jié)后充填材料強(qiáng)度方面分析，可選擇24 h充填體強(qiáng)度達(dá)到4 MPa以上的水灰比。從圖中看出，水灰比在4以下時(shí)，凝結(jié)后的充填材料強(qiáng)度可滿足要求，但是水灰比越大、充填材料使用量越少，注漿充填加固費(fèi)用越低。為此，將高水充填材料水灰比確定為4∶1。

2.2 空巷注漿充填加固方案

將高水充填材料運(yùn)送至充填位置的方法包括有機(jī)械器具運(yùn)送或者人力運(yùn)輸，運(yùn)輸管線等兩種方式。根據(jù)21105綜采工作面位置以及采面開采條件，文中提出采用管線方式將高水充填材料運(yùn)送至空巷位置進(jìn)行充填。參考已有的空巷充填技術(shù)實(shí)踐，空巷充填工藝包括有開放式充填、混合式充填、全袋式充填以及分段阻隔充填等技術(shù)方式。根據(jù)21105綜采工作面空巷實(shí)際情況，由于采面內(nèi)空巷底板有較大起伏，為此決定采取分段阻隔充填法對空巷進(jìn)行充填加固。采用阻隔充填法時(shí)，充填不需要考慮空巷底板起伏，充填過程簡單，充填加固成本相對較低。具體采用的阻隔充填法見圖3所示。

圖3 阻隔充填法示意圖

為了減少空巷對采面礦壓顯現(xiàn)影響，在采面過空巷期間適當(dāng)進(jìn)行調(diào)斜。具體調(diào)斜角度依據(jù)空巷長度、寬度以及采面斜長等參數(shù)確定，采用理論計(jì)算方法得到采面最小調(diào)斜角應(yīng)為2.1°（調(diào)斜角應(yīng)大于arctan（4.4/120）=2.1°）。為了便于采面生產(chǎn)，最終將采面調(diào)斜角度設(shè)計(jì)為3°，具體調(diào)斜后采面與空巷位置示意圖見圖4所示。

圖4 調(diào)斜后采面與空巷位置示意圖

3 空巷注漿充填加固效果分析

21105綜采工作面內(nèi)空巷分布長度為120 m，影響采面液壓支架編號為1~80架?？障锍涮罴庸绦Ч麜苯佑绊懖擅孢^空巷期間液壓支架工作阻力變化情況、采面煤壁片幫情況。在采面過空巷期間對液壓支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)1~80號液壓支架工作阻力變化趨勢與80號支架以外的支架基本一致，液壓支架工作阻力變化波動(dòng)范圍均未在以往范圍內(nèi)。表明空巷充填加固方案可滿足現(xiàn)場采面空巷圍巖控制需要，可為采面煤炭回采創(chuàng)造良好條件。

對采面過空巷期間煤壁片幫情況進(jìn)行監(jiān)測，從監(jiān)測結(jié)果看出，采面在過空巷期間煤壁片幫最大深度為0.37 m，一般情況下片幫均在0.12 m以內(nèi)；整個(gè)采面片幫長度最大為3.5 m，一般情況下片幫長度均在1.2 m以內(nèi)。煤壁片幫程度較小，不會給采面正?；夭蓭盹@著影響。現(xiàn)場應(yīng)用表明，采取高水充填材料對空巷進(jìn)行加固后，充填體可有效控制空巷圍巖變形，現(xiàn)場取得較好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

21105綜采工作面前方550 m位置存在有一條與切眼平行、長度為120 m的空巷，若不采取措施加固空巷則在采面采動(dòng)影響下空巷原有的圍巖支護(hù)體系會有失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，從而給采面正?；夭蓭磔^大的威脅。為此，提出采用高水充填材料對空巷進(jìn)行加固，并依據(jù)采面實(shí)際情況對充填加固技術(shù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)場應(yīng)用后，充填體可有效控制空巷圍巖變形，采面過空巷期間液壓支架工作阻力未有明顯變化、煤壁片幫發(fā)生率未有明顯增加。表明在采面采取的空巷注漿充填加固技術(shù)方案可滿足采面過空巷需要。