高水材料充填在綜采工作面過(guò)空巷中的應(yīng)用研究

楊文忠

(霍州煤電集團(tuán) 河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400)

當(dāng)煤炭開(kāi)采區(qū)域存在設(shè)計(jì)變更或者有小煤窯開(kāi)采史時(shí)，在煤炭開(kāi)采范圍內(nèi)容易遺留廢棄空巷或者開(kāi)采破壞區(qū)。由于廢棄空巷年久失修、圍巖原有支護(hù)體系失效，且在采動(dòng)壓力作用下容易出現(xiàn)頂板垮落或者巷幫大變形等問(wèn)題，制約煤炭安全高效回采[1-2]。如何實(shí)現(xiàn)空巷圍巖有效控制是采煤工作面安全過(guò)空巷的關(guān)鍵之一[3-5]?，F(xiàn)階段礦井常用的過(guò)空巷技術(shù)包括打設(shè)木點(diǎn)柱、施工錨桿(索)補(bǔ)強(qiáng)、圍巖支護(hù)、單體支柱支護(hù)等，均不同程度存在費(fèi)時(shí)、安全風(fēng)險(xiǎn)高以及效率低下等問(wèn)題[6-8]。依據(jù)空巷在采面內(nèi)分布空間關(guān)系，提出針對(duì)性過(guò)空巷技術(shù)，對(duì)提高采面過(guò)空巷效率以及安全保障能力等均有促進(jìn)意義[9-10]。為此，文中依據(jù)3307綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，提出用高水材料充填方式加固空巷。

1 工程概況

山西某礦為資源整合礦井，3307綜采工作面(設(shè)計(jì)切眼長(zhǎng)度225 m、推進(jìn)長(zhǎng)度1 589 m)回采3號(hào)煤層，煤層埋深295 m、傾角5～12°，頂?shù)装鍨槟鄮r、粉砂巖以及砂質(zhì)泥巖等。3號(hào)煤具有自然發(fā)火傾向性，發(fā)火周期介于59～126 d.3307綜采工作面開(kāi)采范圍為小煤窯破壞區(qū)，存在空巷，具體空巷在采面內(nèi)分布位置見(jiàn)圖1.

圖1 采面內(nèi)空巷位置示意

采面空巷(凈寬4.5 m、凈高4.0 m)走向與采面推進(jìn)方向平行，空巷斷面為矩形，長(zhǎng)約120 m，沿著3號(hào)煤層頂板掘進(jìn)。已有技術(shù)資料顯示，該空巷廢棄超過(guò)8 a以上，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，其中錨桿、錨索規(guī)格分別為D22 mm×2 200 mm、D18.6 mm×2 200 mm，錨桿間排距均為1 200 mm、錨索間排距均為2 400 mm.在空巷影響區(qū)內(nèi)生產(chǎn)時(shí)面臨圍巖失穩(wěn)、漏風(fēng)以及礦壓顯現(xiàn)異常等問(wèn)題。需要針對(duì)性制定技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)采面安全高效回采。

2 高水充填技術(shù)應(yīng)用

2.1 充填材料水灰比

在選擇空巷充填材料時(shí)，應(yīng)綜合分析充填材料使用量、充填成本以及充填效果等方面?，F(xiàn)階段煤礦井下常用的充填材料類型包括水泥漿液材料、化學(xué)材料以及高水材料等，其中高水充填材料具有價(jià)格低廉、流動(dòng)性好、凝結(jié)時(shí)間可控以及無(wú)析水等優(yōu)勢(shì)。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選用高水充填材料充填3307綜采工作面內(nèi)空巷。高水充填材料水灰比會(huì)直接影響空巷支護(hù)強(qiáng)度，采用的高水充填材料不僅應(yīng)滿足空巷圍巖控制需要，而且不會(huì)影響采煤機(jī)截割(即采煤機(jī)可直接截割高水充填材料)。為維護(hù)空巷圍巖穩(wěn)定，采用的高水材料強(qiáng)度應(yīng)能達(dá)到4 MPa以上。高水充填材料不同水灰比時(shí)強(qiáng)度變化情況見(jiàn)圖2.從圖2中看出，在凝結(jié)時(shí)間一定的情況下，高水充填材料強(qiáng)度隨水灰比增加而降低。水灰比不變時(shí)，隨凝結(jié)時(shí)間增加，高水充填材料強(qiáng)度也不斷增大。

圖2 高水充填材料不同水灰比時(shí)強(qiáng)度變化曲線圖

從注漿材料凝結(jié)后強(qiáng)度出發(fā)合理選擇高水材料水灰比，凝結(jié)2 h時(shí)高水充填材料強(qiáng)度超過(guò)4 MPa即可滿足要求。從圖2看出，當(dāng)水灰比小于4時(shí)，高水充填材料凝結(jié)2 h強(qiáng)度可達(dá)到5 MPa，明顯可滿足要求；同時(shí)水灰比越小，則材料消耗量越高，經(jīng)濟(jì)性越差。為此，高水材料充填時(shí)最佳水灰比為4∶1.

2.2 充填方案

充填材料運(yùn)送至充填點(diǎn)方式有2種：①采用人工或者機(jī)械設(shè)備將充填材料運(yùn)輸至充填點(diǎn)；②采用泵送方式將充填材料輸送至充填點(diǎn)。泵送方式具有充填效率高、安全性好、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，因此選用泵送方式對(duì)高水材料進(jìn)行運(yùn)輸。

常見(jiàn)的充填技術(shù)方法包括全袋式充填法、開(kāi)放式充填法、分段阻隔充填法以及混合式充填法等。依據(jù)3307綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)情況以及空巷分布位置、長(zhǎng)度等，考慮到空巷存在起伏、注漿材料頂液高度出現(xiàn)變化，采用開(kāi)放式充填法顯然不能滿足要求。若采用全袋式充填法則需要使用充填袋，充填過(guò)程較為繁瑣，因此選擇施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低以及可滿足采面空巷充填需要的分段阻隔泵送充填法。泵送充填示意見(jiàn)圖3.在空巷內(nèi)間隔5～10 m布置1道阻隔，阻隔內(nèi)側(cè)靠近充填側(cè)布置膜袋，避免注入漿液外溢。

圖3 分段阻隔泵送充填布置示意

3 空巷充填效果分析

3307綜采工作面長(zhǎng)度為120 m，主要影響位于采面55～63號(hào)支架間，在采面過(guò)空巷期間，對(duì)55～63號(hào)支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在過(guò)空巷期間支架工作阻力與正常情況下無(wú)明顯差異。高水充填材料與空巷頂板接觸密實(shí)，可有效控制空巷圍巖變形。液壓支架與頂板接觸良好，未出現(xiàn)明顯下沉。采煤機(jī)可直接截割空巷充填體，通過(guò)采用高水充填材料對(duì)充填加固可提高采面生產(chǎn)速度。

統(tǒng)計(jì)過(guò)空巷前后55～63號(hào)支架位置煤壁片幫情況，見(jiàn)表1.從表1中看出，采面在過(guò)空巷期間，煤壁片幫發(fā)生率以及片幫范圍等均未有明顯變化，表明空巷內(nèi)充填的高水材料支撐效果較好。

表1 采面55～63號(hào)支架位置煤壁片幫統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 3307綜采工作面回采范圍內(nèi)存在空巷，同時(shí)開(kāi)采的3號(hào)煤層具有自然發(fā)火傾向，采用以往的加固方式存在空巷漏風(fēng)、防滅火壓力大以及頂板管理困難等問(wèn)題。為此，提出采用高水材料充填方式對(duì)空巷進(jìn)行加固，不僅可解決空巷漏風(fēng)、防滅火難題，而且采面過(guò)空巷時(shí)采煤機(jī)可直接截割充填加固區(qū)，有助于提升采面生產(chǎn)效率。

2) 高水充填材料水灰比會(huì)直接影響充填經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)高水充填材料不同水灰比時(shí)強(qiáng)度變化曲線并結(jié)合空巷充填加固需要，最終確定空巷高水充填材料水灰比為4∶1.由于空巷頂板及底板有一定起伏，為降低空巷高水充填工作量，提出采用分段阻隔泵送充填方式，采用膜袋及磚塊將空巷按照5～10 m間隔劃分為若干充填段?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，采面在空巷影響范圍內(nèi)回采時(shí)保持正常推進(jìn)速度，同時(shí)空巷圍巖、影響范圍內(nèi)煤體等始終保持穩(wěn)定，為采面安全高效過(guò)空巷創(chuàng)造了良好條件。