郭家河煤礦老巷圍巖控制與充填防滅火技術(shù)

胡鑫印 張曉琴 楊 豐

（1.江蘇博廈礦山科技有限公司，江蘇 徐州 221008；2.徐州寶豐特鋼有限公司，江蘇 徐州 221137；3.杭州道宇檢測(cè)技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000）

1 概 況

郭家河礦為高瓦斯礦井，煤層具有自然發(fā)火傾向，當(dāng)工作面回采結(jié)束時(shí)，需對(duì)工作面兩順槽進(jìn)行封閉，防止工作面采空區(qū)瓦斯涌出和采空區(qū)遺煤自燃。以前，礦方采用兩頭砌筑料石墻，中間充填黃土的方法密閉工作面兩順槽。該方法存在勞動(dòng)量大、墻體強(qiáng)度低、易產(chǎn)生裂縫、密閉效果差等缺點(diǎn)，工作面來(lái)壓時(shí)密閉墻體被壓垮，產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致工作面采空區(qū)瓦斯溢出，空氣進(jìn)入采空區(qū)導(dǎo)致采空區(qū)遺煤氧化自燃，一氧化碳超標(biāo)。郭家河礦1307工作面于2017年5月下旬回采結(jié)束，1307回風(fēng)順槽與1307甩道均已密閉完成。在礦山壓力的作用下，巷道密閉墻及巷道周邊產(chǎn)生了諸多裂隙，導(dǎo)致采空區(qū)遺煤氧化，巷內(nèi)一氧化碳含量超標(biāo)，采空區(qū)瓦斯涌出，極大地影響了礦井安全生產(chǎn)。因此，必須采取措施消除隱患。采用超高水充填材料封堵裂隙，具有工藝簡(jiǎn)單、便于操作、封堵效果好、還可大幅降低成本等優(yōu)點(diǎn)。

2 充填區(qū)域

1307回風(fēng)順槽與1307甩道設(shè)計(jì)均為矩形斷面，錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，沿煤層底板掘進(jìn)。1307回風(fēng)順槽和1307甩道現(xiàn)有斷面分別約22m2和15m2，長(zhǎng)度分別約62m和43m，總的空巷充填空間約2009m3。充填區(qū)域平面示意圖見圖1（陰影部分為待充填區(qū)域）。

圖1 1307回風(fēng)順槽和1307甩道老巷充填示意圖

3 充填材料簡(jiǎn)介

超高水充填材料是一種能在高水灰比條件（W/C=1.2:1～8:1）下快速凝固的特種熟水泥，是中國(guó)礦大承擔(dān)的國(guó)家“七五”、“八五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目的研究成果。該材料分甲料、乙料兩部分，按1:1的比例相配使用。甲料、乙料單獨(dú)與水混合不固結(jié)，為避免管子塞堵和一定條件下不洗管路創(chuàng)造了條件，而甲料漿和乙料漿一旦相互混合則快速固結(jié)硬化。

超高水材料漿具有良好的滲入性能，可以很好地滲入巷道圍巖裂隙，凝固后，封堵了漏風(fēng)通道的同時(shí)也改善了巷道周圍的承載結(jié)構(gòu)，提高了承載性能。

該材料在W/C=1.6:1條件下凝固9d以后應(yīng)力應(yīng)變曲線和形變特性如圖2所示。

圖2 超高水充填材料全應(yīng)力應(yīng)變曲線

從圖2看出，超高水材料具有突出的塑性性能，在荷載達(dá)到極值強(qiáng)度后，超高水充填材料并不立即完全破壞失去承載性能，而是隨著形變的進(jìn)一步加大，承載能力呈緩緩下降變化。承載性能隨形變?cè)黾酉陆档乃俣冗h(yuǎn)小于普通的材料，此水灰比條件下該材料極值單軸強(qiáng)度為10.35MPa，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到12%時(shí)，其單軸抗壓強(qiáng)度還維持在極值強(qiáng)度的66%以上，形變繼續(xù)增加達(dá)到19%，剩余抗壓強(qiáng)度為峰值的58%左右。

通過調(diào)節(jié)水灰比控制漿液流動(dòng)性和材料抗壓強(qiáng)度可以滿足需求，該材料充填構(gòu)體呈現(xiàn)明顯的塑性材料性能，在礦壓作用下可以允許較大的塑性形變，強(qiáng)度衰弱速度比較慢，可以維持較高的剩余強(qiáng)度，很好地抵擋后期的圍巖應(yīng)力，以防再次在礦山壓力的作用下形成漏風(fēng)通道。

4 充填技術(shù)

超高水充填材料甲料漿、乙料漿按1:1的比例混合使用。由于甲料漿、乙料漿單獨(dú)加清水?dāng)噭虿荒?，而一旦混合則快速凝固硬化，需分別攪拌和泵送甲料漿、乙料漿。

施工包括運(yùn)輸材料、制料漿、注漿、沖洗等工序。注漿設(shè)備的配置如圖3所示。

圖3 注漿設(shè)備配置示意圖

從圖3中可以看出，充填設(shè)備的位置和作業(yè)空間不受現(xiàn)場(chǎng)條件的約束，可以通過增加出漿管路進(jìn)行合理選擇。

5 充填效果分析

5.1 圍巖變形方面

選取兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行圍巖觀測(cè)，所觀測(cè)的數(shù)據(jù)分別為頂、底板移近量，觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。從圍巖觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，從第五周充填密閉施工完成后，圍巖的變形速度明顯下降，圍巖得到了良好的控制。

圖4 圍巖觀測(cè)數(shù)據(jù)

5.2 空氣溫度、氣體濃度方面

通過密閉墻束管氣體采樣分析，連續(xù)觀測(cè)一個(gè)月，溫度由原先的35℃降至26℃，一氧化碳降至0ppm，瓦斯?jié)舛冉抵?.8%。

6 結(jié)論

（1）超高水材料制漿后，具有良好的流動(dòng)性，可以在自重的作用下滲入巷道圍巖裂隙通道內(nèi)。漿液凝固后，不僅封堵了漏風(fēng)通道，而且改善了圍巖的力學(xué)性能，提高了承載強(qiáng)度。

（2）超高水材料凝固后，具有較高的單軸抗壓強(qiáng)度，在圍巖的三向應(yīng)力作用下，大幅提高了抗壓強(qiáng)度，更好地滿足了圍巖控制的強(qiáng)度要求。

（3）充填結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的塑性特征，在礦壓作用下允許較大的塑性形變，強(qiáng)度衰弱速度慢，可以維持較高的剩余強(qiáng)度。充填體的塑性更好地適應(yīng)頂板活動(dòng)破壞規(guī)律，可以很好地抵抗后期的礦山壓力，以防再次在礦山壓力的作用下形成漏風(fēng)通道。

（4）充填設(shè)備的位置和作業(yè)空間不受現(xiàn)場(chǎng)條件的約束，根據(jù)井下實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇，進(jìn)一步降低職工的勞動(dòng)強(qiáng)度和改善職工的工作環(huán)境。

（5）超高水材料充填后，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了圍巖的有效控制和防滅火兩項(xiàng)技術(shù)要求。