煤礦井下膠結(jié)填充綜采工藝技術(shù)的研究

王 亮

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司云崗礦，山西 大同 037017)

引 言

隨著煤炭資源的不斷減少，各煤炭生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)行綜采作業(yè)時(shí)已經(jīng)越來(lái)越重視井下煤炭的出采率，在傳統(tǒng)的綜采技術(shù)方案中，需要通過(guò)預(yù)留大量的煤柱作為井下采空區(qū)的支撐，防止頂板發(fā)生塌陷，但與此同時(shí)會(huì)導(dǎo)致井下大量的煤炭無(wú)法出采，嚴(yán)重影響了煤炭生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，因此為了提升井下綜采作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性[1]，本文提出了一種膠結(jié)填充綜采工藝，其主要以煤矸石、膠粘劑、水等為原料按照一定的比例混合而成，具有成本低、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、承壓力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠極大提升煤礦井下采空區(qū)的支撐效果。

1 膠結(jié)填充下頂板移運(yùn)規(guī)律的研究

本文以某礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，為了更好地研究井下綜采作業(yè)時(shí)的頂板移運(yùn)規(guī)律，搭建了礦壓顯現(xiàn)規(guī)律模擬試驗(yàn)臺(tái)站，在模擬的填充物、煤層、頂板、底板的位置均設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄各個(gè)點(diǎn)位上的受力和位移變化情況[2]，對(duì)綜采過(guò)程中的頂板移運(yùn)變化情況進(jìn)行研究，模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由分析結(jié)果可知，隨著工作面的不斷加深，當(dāng)其前移到8 m的位置，距離工作面的頂板約5 m時(shí)，頂板結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)裂縫。通過(guò)模擬試驗(yàn)結(jié)果可知，井下頂板在綜采作業(yè)過(guò)程中分別經(jīng)歷了頂板離層形成期、頂板離層的增大期以及頂板離層的壓實(shí)期，采空區(qū)域的支護(hù)質(zhì)量直接影響到離層最終的穩(wěn)定性，在有高濃度膠結(jié)填充體的情況下，雖然頂板巖層發(fā)生了明顯的分離現(xiàn)象，但是并未出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，其主要表現(xiàn)為頂板的下沉、產(chǎn)生離層、離層的逐漸壓緊，因此表明了高濃度膠結(jié)填充情況下井下采空區(qū)對(duì)頂板巖層支護(hù)的穩(wěn)定性。

圖1 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)

2 高濃度膠結(jié)填充綜采面的設(shè)置

高濃度膠結(jié)填充綜采工作面的布置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 膠結(jié)填充綜采工藝綜采面布置結(jié)構(gòu)

由圖2可知，在該充填工藝綜采面布置時(shí)，主要是將井下的回風(fēng)巷設(shè)置在綜采面的斜上方，用于井下綜采作業(yè)時(shí)的人員、物料通行及通風(fēng)，將物料運(yùn)輸巷設(shè)置到綜采面的斜下方，同時(shí)在該巷道的下沉設(shè)置用于回風(fēng)的沿空留巷，將用于充填的管路延著運(yùn)輸巷布置，一直延伸到綜采作業(yè)面。在綜采作業(yè)面上設(shè)置專用的充填液壓支架，確保充填支護(hù)作業(yè)的安全性[3]。在綜采作業(yè)面上的充填管道要沿著工作面布置，到液壓支架的側(cè)后方，該填充管道上要設(shè)置三通閥以及充填布料管，三通閥的設(shè)置距離最大不要超過(guò)25 m，從而可以根據(jù)不同的充填作業(yè)需求，對(duì)不同的區(qū)域進(jìn)行充填作業(yè)，還要在工作面的回風(fēng)巷的位置安裝一組泄水管道，確保充填作業(yè)結(jié)束以后廢水的有效回收。

3 膠結(jié)填充用液壓支架

由于在采用膠結(jié)填充綜采工藝時(shí)，傳統(tǒng)的綜采支護(hù)液壓支架難以滿足隔離流體填充物的需要，因此需要采用專門(mén)的液壓支架，目前常用的包括充填專用液壓支架和充填隔離液壓支架，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 膠結(jié)充填液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3可知，所采用的膠結(jié)填充專用液壓支架和隔離液壓支架均采用了四柱支撐式的結(jié)構(gòu)，在液壓支架的底座上均設(shè)置有立柱，主要用于固定液壓支架的頂梁，該類型的液壓支架的特殊之處在于其頂梁的前端為綜采作業(yè)提供支撐[4]，而其后側(cè)則主要為充填作業(yè)提供支撐，在其后側(cè)設(shè)置可以自由伸縮的隔離結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)井下的地質(zhì)條件充分與巷道底部接觸，形成一個(gè)相對(duì)封閉的空間，將綜采區(qū)域和充填保護(hù)區(qū)域隔離開(kāi)來(lái)。同時(shí)在該封閉結(jié)構(gòu)的兩側(cè)還設(shè)置有專用的可自由關(guān)閉的觀測(cè)孔，用于對(duì)井下填充作業(yè)情況進(jìn)行觀測(cè)和調(diào)整，確保井下高濃度膠結(jié)填充綜采作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性。

4 高濃度膠結(jié)充填開(kāi)采工藝流程

煤礦井下采用高濃度膠結(jié)充填開(kāi)采的工藝流程。

如圖3所示，首先是將各種充填料按照一定的比例進(jìn)行充填，然后利用充填泵將混合均勻的高濃度膠結(jié)劑填充到井下需要進(jìn)行充填的區(qū)域，具體來(lái)說(shuō)包括混料、充填、清晰等過(guò)程，具體的充填工藝如圖4所示。

由圖4可知，混料時(shí)需要嚴(yán)格控制各填充原料的配比，從而滿足管道內(nèi)輸送及井下凝結(jié)、充填強(qiáng)度的要求，在進(jìn)行混料時(shí)所用的骨料主要是煤矸石，所選用的膠結(jié)劑主要是水泥等。

圖4 高濃度膠結(jié)充填工藝流程圖

充填料的管道內(nèi)輸送，是指將配置好的充填料經(jīng)過(guò)泵體加壓后通過(guò)充填管道傳輸?shù)骄碌某涮钭鳂I(yè)面，然后根據(jù)井下不同的充填區(qū)域選擇控制不同的三通閥管路進(jìn)行充填。

管路的清洗，主要是指在完成一次充填作業(yè)后需要對(duì)管道進(jìn)行清洗，去除管道內(nèi)殘留的充填料，在清洗時(shí)需要用高壓空氣進(jìn)行最后的通管，使管道內(nèi)所有的殘留物排出，避免導(dǎo)致管道堵塞，影響后續(xù)的充填作業(yè)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)井下綜采作業(yè)時(shí)采用煤柱支護(hù)方式導(dǎo)致的綜采效率低下、煤炭回采率低的難題，提出了一種新的膠結(jié)填充綜采工藝，對(duì)其具體應(yīng)用方式進(jìn)行了論述，結(jié)果表明：

1) 膠結(jié)填充綜采工藝，其主要以煤矸石、膠粘劑、水等為原料按照一定的比例混合而成，具有成本低、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、承壓力強(qiáng)的特點(diǎn)。

2) 在井下填充時(shí)需要設(shè)置專用的液壓支架和隔離液壓支架，能夠根據(jù)井下的地質(zhì)條件充分與巷道底部接觸，形成一個(gè)相對(duì)封閉的空間，將綜采區(qū)域和充填保護(hù)區(qū)域隔離開(kāi)來(lái)。