高水充填技術在工作面過空巷中的應用

李鈺哲

(山西長治王莊煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046000)

工作面正?；夭蛇^程中，會遇到一些由于小煤窯無序開采或曾經(jīng)有各種用途的廢棄巷道，這些廢棄巷道與工作面存在著不同的位置關系，尤其在這些巷道位于工作面回采范圍內(nèi)時，工作面推過空巷過程中如果不進行特殊處理，往往會發(fā)生冒頂、壓架等事故[1-3]。傳統(tǒng)的過空巷方法多為人工在空巷內(nèi)架設木垛，搭設單體等方法，然而這些方法支護強度往往不能得到有效保證，在工作面推過空巷時經(jīng)常出現(xiàn)木垛被壓垮、單體壓死等現(xiàn)象，給現(xiàn)場工程技術人員帶來了一定的困難[4-5]。

近年來，充填技術應用于工作面過空巷取得了較好的效果[6]。充填體擁有足夠的強度，能保證工作面安全高效地通過空巷。本文以王莊煤業(yè)3505工作面過空巷為背景，提出了高水充填過空巷技術，實現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

王莊煤業(yè)3505工作面所采煤層為3號煤層，隸屬35采區(qū)，工作面形狀為“刀把子”，工作面1號切眼段367.5 m，2號切眼段360.5 m，推進長度2 016.04 m。煤層平均厚度4.85 m，含1層夾矸，厚度約為0.2 m，煤層層位、厚度穩(wěn)定，傾角1～11°，工作面直接頂為泥巖，平均厚度2.75 m，基本頂為細粒砂巖，平均厚度6.00 m，直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度3.60 m。工作面布置216臺ZY10000/26/55D液壓支架。

3505工作面中部回風巷側(cè)局部存在一放水巷，長度約220 m，現(xiàn)已廢棄密閉。因該放水巷位于3505回采工作面中，影響工作面正常推進，如圖1所示。為保證3505回采工作面正常回采，減少空巷對回采工作面的影響，提出對該廢棄巷道進行注漿充填的技術方案。

圖1 3505工作面空巷示意

2 充填材料試驗研究

新型高水充填材料是水灰比約6.5∶1～11∶1的水硬性材料，該材料主要是鈣礬石，屬于早強、快硬型膠結(jié)材料。主要由A、B兩種組份組成，A、B混合后，水體積分數(shù)為91%～97%時，7 d的抗壓強度可達到最終強度的60%～90%，15 d抗壓強度可達0.66～3.82 MPa，如圖2所示。材料單漿液(A或B漿液)可持續(xù)30～40 h不凝固且流動性良好，其黏度在24 h內(nèi)變化不大，非常適合在管路中進行長距離輸送，最大輸送距離可達3 300 m。因含水性高，混合漿體稠度低，具有極強的流動性和可注性。

圖2 不同含水量下高水材料固結(jié)體抗壓強度隨時間變化曲線

3 空巷充填方案設計

3.1 充填材料配比

充填材料配比選擇原則要在保證安全的情況下考慮經(jīng)濟效益。因此3505工作面空巷充填材料選用A、B比例為1∶1，初凝時間控制在3～6 min，平均單軸抗壓強度不低于1.5 MPa，材料的水灰比為6∶1。該配比條件下的液體粘稠度非常低，可以像水一樣流動和滲透，只要無墻體阻擋即可流動到小窯空巷內(nèi)所有低洼處和孔隙內(nèi)，實現(xiàn)空巷全斷面有效支撐。

3.2 充填工藝選擇

高水材料空巷充填工藝主要由充填泵站(制漿站)與充填點兩部分組成，充填泵站處先分別將A、B兩種材料按照確定的水灰比進行混合、攪拌，確保兩種漿液攪拌均勻，通過充填泵站兩條高壓管路將A、B漿液輸送到指定位置，在出漿口將兩種漿液混合，注入充填點；充填點進行充填作業(yè)前做準備工作，提前構筑止?jié){墻，等待漿體注入，具體流程如圖3所示。

圖3 充填作業(yè)工藝流程

3.3 充填方案設計

現(xiàn)場采用近距離制漿、短距離管道輸送、大流量小壓力注漿施工。提前在3505回風巷煤壁打孔，打孔位置距頂板1 m、垂直煤壁90°、排距10 m。終孔注漿壓力為4～10 MPa，漿液橫向擴散半徑5～10 m，漿液最終擴散高度4.5～5 m，單向流動距離控制在12～15 m。注漿完之后打探測孔檢驗，對有空隙的地方進行二次注漿，直至注漿區(qū)域凝結(jié)為一個整體。

根據(jù)現(xiàn)場測量，由于3505工作面空巷尺寸不統(tǒng)一，因此充填方案采用分段阻隔充填法進行充填。按照巷道尺寸不同將空巷劃分為6個區(qū)域，如圖4所示。每個區(qū)域分割出構筑止?jié){墻，止?jié){墻厚1.5 m，止?jié){墻構筑完成24 h后方可進行充填作業(yè)，各區(qū)域注漿充填量如表1所示。

圖4 分段阻隔充填法示意

表1 不同區(qū)域注漿充填量

4 現(xiàn)場應用效果

為了確定高水充填效果，在3505工作面過空巷期間對支架壓力進行了分析。圖5為工作面距空巷不同距離時，空巷范圍內(nèi)支架壓力變化情況。由圖可知，工作面距離空巷23 m時，支架工作阻力開始逐漸增加，當工作面推進至空巷區(qū)域內(nèi)時，支架工作阻力達到最大，壓力為11 532 kN,工作面通過空巷后，支架工作阻力逐漸減小，通過空巷20 m后支架工作阻力降低到6 267 kN,之后壓力正常波動。由此可見空巷前后20 m范圍內(nèi)為應力影響區(qū)域。

圖5 3505工作面過空巷期間支架工作阻力變化

3505工作面過空巷期間，工作面并未發(fā)生大面積片幫現(xiàn)象，片幫主要集中在113～124架，片幫深度200～400 mm，其余區(qū)域未見明顯片幫；頂板未見明顯下沉，根據(jù)支架立柱行程檢測數(shù)據(jù)，僅個別支架立柱在過空巷期間出現(xiàn)了100～200 mm的下沉；工作面?zhèn)€別安全閥開啟，未對工作面正常生產(chǎn)造成影響，安全順利通過空巷。結(jié)果表明，3505工作面采用高水充填過空巷技術效果較好，可為其他工作面過空巷提供借鑒。

5 結(jié) 語

結(jié)合王莊煤業(yè)3505工作面實際條件，確定了該工作面過空巷期間采用高水充填技術，并通過實驗研究及理論分析確定了充填材料配比、充填工藝流程及充填方案?，F(xiàn)場監(jiān)測表明，高水充填技術在工作面過空巷實踐中效果較好，可以有效保障礦井安全生產(chǎn)。